UE 6 - VF

Fonctionnement et gestion des
écosystèmes marins
Couplage physique
biologie
Intervenants :
S. Souissi
F. Schmitt
L.F. Artigas
C. Jamet
J.M. Brylinski
F. Lizon
REVE Anne-hélène
0
Contenu
Partie 1.
Notion d’échelles spatio-temporelles ...........................................................................1-1
I.
Définitions des échelles ............................................................. 1-1
II.
Exemple de développement du phytoplancton ...................... 1-2
III.
Conditions influant sur la production primaire .................. 1-5
1.
2.
3.
Vue synoptique......................................................................................................................... 1-5
Cas de la Méditerrannée ................................................................................................... 1-6
Influences ..................................................................................................................................... 1-7
Partie 2.
Approches de la modélisation dans le cadre des couplages de processus
physiques et biologiques.............................................................................................................................................. 2.1
I.
Introduction aux problèmes de couplage des processus
physiques et biologiques .................................................................... 2.1
II.
Les relations empiriques : utilités et limites .......................... 2.1
III.
Exemple zooplanctons et copépodes ...................................... 2.2
IV.
À l’échelle de la population : les bancs de poissons .......... 2.4
Idée 1 : La biologie est totalement dépendante de la physique
2.5
Partie 3.
Bilan échelle............................................................................................................................... 3-1
Partie 4.
Introduction à la turbulence : turbulence homogène, couplage physique /
biologie dans l’environnement marin....................................................................................................................4-1
I.
Introduction .................................................................................. 4-1
1.
2.
3.
4.
Définitions .................................................................................................................................... 4-1
Définition et propriétés ....................................................................................................... 4-2
Historique ..................................................................................................................................... 4-3
Les quantités en turbulence ........................................................................................... 4-4
II.
Scalaires passifs et actifs ....................................................... 4-16
III.
Turbulence et océanographie physique ................................ 4-17
1.
2.
3.
4.
IV.
Simulations numériques directes : modélisation ............................................ 4-17
Modèle de turbulence....................................................................................................... 4-18
Expérimental, théories et modèles ........................................................................... 4-20
Mesure de la turbulence et des scalaires ......................................................... 4-20
Turbulence er océanologie biologique ............................... 4-21
1.
2.
Mesure in situ lagrangienne et eulérienne ......................................................... 4-21
Phytoplancton ......................................................................................................................... 4-23
3.
Partie 5.
Zooplancton ............................................................................................................................. 4-23
Optique marine ........................................................................................................................... 5-1
I.
Généralités .................................................................................... 5-1
II.
Les propriétés optiques du milieu marin .................................. 5-4
1.
2.
3.
4.
5.
6.
III.
Relations entre les IOPs et les paramètres biogéochimiques
5-14
1.
2.
3.
4.
5.
IV.
Généralités ................................................................................................................................... 5-4
Eau pure ....................................................................................................................................... 5-6
Phytoplancton ............................................................................................................................ 5-8
Absorption des particules non-algales ANAP.................................................... 5-11
Absorption de la matière dissoute colorée (CDOM) ................................... 5-11
Indicatrice de diffusion .................................................................................................... 5-12
Diffusion vs chlorophylle ................................................................................................. 5-14
IOPs vs tailles ........................................................................................................................ 5-14
Diffusion particulaire et phytoplanctonique vs chlorophylle ................... 5-16
Absorption CDOM vs chlorophylle et DOC ........................................................ 5-16
Absorption CDOM vs salinité ....................................................................................... 5-17
Mise en évidence de processus biogéochimiques ................ 5-17
1.
2.
3.
4.
La fluorescence de la chlorophylle a .................................................................... 5-17
Photoadaptation.................................................................................................................... 5-19
Quenching ................................................................................................................................. 5-19
Application de mise en évidence.............................................................................. 5-21
V.
Nouvelles plateformes d’acquisition de données ............. 5-22
VI.
Principe de la télédétection de la couleur de l’eau.......... 5-25
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Partie 6.
Généralités ................................................................................................................................ 5-25
Intérêt .......................................................................................................................................... 5-27
Produits ...................................................................................................................................... 5-27
Traitement des données ................................................................................................. 5-28
Produits ...................................................................................................................................... 5-30
Applications régionales................................................................................................. 5-32
La complexité d’un milieu à marées .................................................................................. 6-1
I.
Quelques grandeurs ................................................................... 6-1
II.
Définitions ...................................................................................... 6-1
III.
Processus de marée ..................................................................... 6-2
IV.
Développement d’une larve d’annélide polydora ciliata .... 6-5
Partie 7.
biologie
Océanographie côtière et production biologique – couplage physique7-1
I.
L’océan côtier ............................................................................... 7-1
II.
Forçages physiques de l’océan côtier .................................... 7-2
1.
2.
3.
4.
Réchauffement........................................................................................................................... 7-2
Apport d’eau douce .............................................................................................................. 7-3
L’énergie de la marée ......................................................................................................... 7-3
Forçage physique et mise en mouvement ............................................................ 7-3
III.
Forçages physiques et production .......................................... 7-3
IV.
Les composantes biologiques et production ........................ 7-3
V.
Stratification / mélange et production ................................. 7-4
VI.
Les fronts et la production ...................................................... 7-6
1.
2.
3.
4.
VII.
Les marges continentales ................................................................................................. 7-7
Les upwellings ........................................................................................................................... 7-7
Fronts Tidaux............................................................................................................................. 7-8
Les ROFI ....................................................................................................................................... 7-8
Les systèmes estuariens ....................................................... 7-9
1.
2.
3.
4.
5.
Définition ....................................................................................................................................... 7-9
Classification des estuaires ............................................................................................. 7-9
Forçaces physiques des estuaires ........................................................................... 7-10
Types d’estuaires ................................................................................................................. 7-10
Distribution des espèces ................................................................................................. 7-10
Moodle
Partie 1.
I.
Notion d’échelles spatio-temporelles
Définitions des échelles
Ce sont les échelles spatio-temporelles qui imposent les couplages entre la physique et la
biologie.
Comment définit-on les échelles ? à quelle échelle veut-on étudier le phénomène ?
Le terme échelle est souvent utilisé au sens usuel correspondant à l’ordre de grandeur des
unités observées.
Relation entre échelle et discipline ?
Biologie moléculaire → très petite échelle
Paléontologie → très grande échelle
On perd de la précision avec la grande échelle sur les mécanismes ayant lieu à petite échelle.
On ne peut pas tout représenter → on doit séparer les échelles les plus pertinentes
Chaque discipline peut être caractérisée par un ensemble d’échelles pertinentes.
Y-a-t-il une relation entre échelle et processus ? Lien indirect imposé
Problème de résolution : il faut toujours une échelle.
On voit des structures, mais sans échelles, on ne peut pas les interpréter. Si on diminue la
résolution, on garde le patron de la structure, mais si on dégrade encore plus, on perd de
l’information : les structures ne sont plus visibles. La perception de l’image est fausse
quand l’échelle n’est pas présente.
Un processus se déroule à une échelle réelle (le mécanisme s’effectue tout le temps). Un
processus échantillonné se déroule à une échelle d’observation. L’échelle d’observation
elle impose un rythme, une fréquence d’échantillonnage qui donne une image plus ou moins
réelle du processus étudié.
1-1
Moodle
Quand on a un phénomène périodique, mais
qu’on n’a pas analysé les échelles caractéristiques
→ l’échantillonnage est réalisé d’une façon
irrégulière : c’est le aliasing. Si on échantillonne
au hasard, on a tendance à avoir une tendance
stationnaire. Quand un phénomène se déroule à
une échelle caractéristique, il faut l’échantillonner
au moins 2 fois par période.
Figure 1. Taggart & Frank (1989)
II.
Exemple de développement du phytoplancton
Phytoplankton Ecology, Graham Harris
Si on s’intéresse à la physiologie (intracellulaire), il faut utiliser les échelles :
Minute : fluorescence
Heure : photosynthèse, division intracellulaire, photorespiration
Si on s’intéresse à l’écologie (communauté), il faut utiliser les échelles :
Jour : production primaire journalière
Mois : succession d’espèces
1-2
On perd en détail (pas d’informations sur la physiologie), mais on étudie un phénomène plus
global.
Si on s’intéresse à la climatologie (suivi à long terme, au moins 30 ans de données), il faut
utiliser les échelles :
Décennies : effet entre le phénomène écologique et autres phénomènes climatiques
La même chose peut être appliquée au niveau spatial : échelle spatiale fine pour la cellule.
L’écologie est à plus grande échelle spatiale (Manche, estuaire). Il y a donc un lien entre
échelle temporelle et spatiale.
Peut-on séparer les échelles ?
Les classifications marchent bien administrativement. Ces frontières sont-elle si facile à
déterminer en science ? Dans l’océan, peut-on trouver des frontières entre les processus
chimiques, physiques et biologiques ? En réalité, on est obligé d’avoir une vision globale de
ces disciplines.
Micro échelle
Échelle fine
Échelle intermédiaire
Méso échelle
Macro échelle
Méga-échelle
Organismes
Picoplancton1
Nanoplancton
Microplancton
Mésoplancton
Macroplancton
Mégaplancton
Bactéries
Phytoplancton, protozoaires
Zooplancton
Necton
Lien entre la biologie et la physique
1
On peut définir encore des sous classes. Ce ne sont pas des connaissances universelles, mais des
nomenclatures que l’on peut redéfinir.
1-3
Moodle
Un phénomène physique influence un phénomène biologique, qui doit avoir une méthode
adapté pour étudier le phénomène.
À l’échelle très fine, les organismes sont structurés en micro patchs, sous l’influence de la
micro turbulence (cascade d’énergie à différentes échelles). Pour étudier le phénomène, il faut
une méthode cinématographique (caméra à plusieurs images par seconde, ou image en
continue). Parfois, on peut même avoir jusqu’à 1000 images / secondes pour étudier un
mouvement par exemple.
On a une logique, un lien entre toutes les échelles spatiales et temporelles. Les effets ne sont
pas passifs.
Dynamics of marine ecosystems, Mann et Lazier.
Il n’y a pas de réalité parfaite en ce qui concerne les échelles, il faut définir sa propre échelle,
et argumenter de son utilisation.
Cas pratique : étude de la production primaire océanique
Fondamental car régulation du climat via l’océan et la production primaire. Techniques
d’étude :
o marquage du carbone pour savoir comment il est incorporé
o couleur de l’eau
Biomasse = stock. La PP (quantité par unité de biomasse et par temps) s’appuie sur ce stock.
La PP est donc un flux (une vitesse). Si la biomasse ne bouge pas, cela ne veut pas dire qu’il
n’y a pas de production. Le stock peut être très productif, mais être stable.
1-4
III.
Conditions influant sur la production primaire
1. Vue synoptique
Janvier
forte hétérogénéité
forte production au niveau des côtes
o apport de nutriments
o zone plus riche au niveau des côtes (upwelling) lié uniquement aux
phénomènes physiques → production halieutique la plus forte au monde,
réseau trophique court.
différence nord-sud
o hémisphère sud : été et lumière
 zone australe : peu de production, car zone HNLC
o hémisphère nord : lumière limitante et température associée
 zone boréale la moins productive : lumière et température limitante.
Avril
•
hétérogénéité
•
zone côtière productive
•
Équateur : niveau de production moyen stable : contre-courant qui engendre des
petites remontées de sels nutritifs.
Octobre
Beaucoup de production dans l’hémisphère nord
1-5
Moodle
2. Cas de la Méditerrannée
Changement d’échelle ; mer oligotrophe car fermée et production dans les endroits peu
profonds. Quelques points ponctuels d’upwelling (miniatures). En avril, on a un renforcement
de la production en zone côtière. Le modèle s’applique.
Vers des échelles plus petites grâce à la télédétection :
•
Bloom monospécifique suivant les courants
•
Marées rouges
Anabaena flos-aquae
1-6
Lingulodinium
polyedrum Noctiluca scintillans (dans un
(due aux ondes internes)
front géostrophique)
3. Influences
Sels nutritifs
Lumière
Température
Production
primaire
(quantité par
unité de
biomasse et de
temps)
Autres
Composition des comunautés
•Zone riche : diatomées
•Zone pauvre : petits organismes
1-7
Partie 2.
Approches de la modélisation dans le cadre des
couplages de processus physiques et biologiques
I.
Introduction aux problèmes de
processus physiques et biologiques
couplage
des
Il est important de faire de la recherche indépendamment des contraintes (qu’elles soient
financières ou géographiques, sinon on parle d’ingeniering). Il y a une démarche universelle
d’appréhension du couplage physique/biologie : seule la méthodologie d’approche peut
changer.
La biologie est totalement dépendante de la physique
Les processus biologiques sont très complexes, par conséquent, on peut justifier la
négligence des processus physiques quand on s’intéresse à un processus biologique
Seule la production aquatique (en termes de ressources exploitées) est intéressante, il
faut donc se focaliser sur ce processus d’intérêt socio-économique
II.
Les relations empiriques : utilités et limites
Taux : toujours par unité de temps (qu’elle soit longue ou courte).
Exemple 1 :
Respiration en quantité de carbone par individu et par jour
Pour normaliser, on divise la quantité respiration par la biomasse d’un individu. Donc il reste
le temps-1. Les organismes de petite taille ont une respiration plus élevée que les organismes
de grandes tailles. On parle du taux de respiration spécifique (c’est-à-dire standardisé, ramené
à une unité de poids). En log-log, on a une relation du type
→ c’est une
décroissance hyperbolique si on enlève le log-log.
Cela montre qu’on peut trouver des lois universelles → c’est pour cette raison qu’on doit
établir des protocoles standards pour pouvoir comparer les résultats : tous les points de cette
étude ont été piochés dans différentes études.
Il y a une grande dispersion mais cela donne la tendance globale. La validation de la relation
empirique dépend de la qualité des données. Donc si aujourd’hui on ajoute des valeurs, il se
peut que la relation soit meilleure, ou qu’elle change carrément.
Dérive : on peut construire des modèles sur ces relations empiriques. On ne peut pas les
intégrer à un modèle physique car ces relations ont des limites qu’il faut connaitre avant de les
utiliser dans un modèle.
Pour l’ingestion et la capacité d’assimilation, on a un manque de données : on n’a pas le droit
d’extrapoler les relations. Il faut préciser que c’est selon un modèle linéaire en log-log.
2.1
Synthèse bibliographie sur l’anchois européen.
Les données de la phase larvaire sont des données journalières (otolite ou écaille pour
connaitre l’âge du poisson). Quand il est au stade adulte, il n’y a plus de données en
océanologie, mais chez les halieutes. Ces données sont classées en classe d’âge :
Age 0 → inférieur à 1 an. Certain donne un âge de 6 mois, d’autre 1 an. La phase
juvénile est ignorée par toutes les sciences jusqu’à récemment. Il faut faire un
ajustement entre les deux pour rejoindre les deux bouts de données.
Pour la carpe, on cherche toujours à faire une relation empirique entre le poids et la longueur :
(avec b proche de 3) : relation de puissance → on mesure toujours la taille et le
poids : on fait des abaques pour trouver un lien entre le poids et la taille. C’est le poids qui
correspond à la croissance mais en estimant la longueur, on peut avoir le poids grâce à ces
abaques.
est environ proportionnel au volume. On peut être tenté d’extrapoler, mais en réalité, on a
deux phases de croissance différentes avec une rupture : elle correspond à la taille de
métamorphose (régime 1, métamorphose puis régime 2).
Pourquoi ces poissons ont deux régimes ?
Régime 1 : grande mortalité. De l’œuf jusqu’à un an, il y a 90% de mortalité → c’est
la limite dans l’établissement des modèles qui ne doit prendre que 1% de ce qui arrive
en réalité (survivants), donc on ne peut pas prédire le stock. Le recrutement doit être
couplé à l’océanographie (capacité du système, etc.). C’est le concept de gestion de
l’écosystème qui permet d’étudier les stades adultes, mais ne permet pas l’étude du
réel écosystème avec les juvéniles.
Régime 2 : moins de mortalité, énergie plus allouée à la croissance et la reproduction
III.
Exemple zooplanctons et copépodes
On peut placer les organismes par rapport à leur taille :
mm mais quand on échantillonne sur le terrain, on ne peut pas observer une échelle
millimétrique → on a toujours une échelle supérieure.
Définition du zooplancton : animal qui ne peut s’affranchir des masses d’eau. En
revanche, le plancton est-il toujours passif ?
Passé : observation macroscopique, indépendant de l’environnement et de son comportement.
À son échelle, le plancton est conscient que de son environnement immédiat donc si on veut
comprendre comment il se développe, il faut le regarder à son échelle. Quand le zooplancton
se déplace, il laisse une trace.
Forme : antenne possédant des soies (capteurs) qui lui permettent d’éviter les prédateurs, se
nourrir, observer son environnement. Il arrive à modifier son environnement immédiat en
créant des courants alimentaires.
Comment cet organisme de petite taille peut-il percevoir son environnement immédiat ?
2.2
Stratégie de forme
Milieu proche de la viscosité
Il fait des traces : quand il accélère, il augmente son signal
-
-
Comment un plancton prédateur peut détecter la présence d’une proie dans son
environnement ? Reste à une flottabilité neutre en modifiant sa composition interne
pour attendre ses proies. À un moment donné, entouré de proie, le prédateur a perçu
quelques proies potentielles et a pris une décision quant au moment où il doit attaquer.
Pour connaitre si la proie est à bonne distance, il perçoive le monde
physique (acoustique et physique qui viennent de la déformation de l’eau) : est-ce que
le mouvement est lié à un mouvement ‘normal’ ou ce mouvement est-il lié à la
présence d’une proie. Le plancton n’est pas passif à son échelle, mais à notre échelle,
il suit les courants d’eau
Comment le mâle peut détecter la présence d’une femelle ? Dès que le mâle
détecte un gradient chimique, il peut faire une accélération de 40mm/s pour poursuivre
la femelle. Si on met le mâle dans le chemin opposé ? Il se rend compte que la
concentration en phéromone diminue, donc il fait demi-tour → il est capable de
détecter un gradient : alors que les chercheurs sont incapables de connaitre le gradient
de phéromones.
Exemple 2 :
D’ailleurs, les américains ont utilisés la daphnie comme un biocenseur : ils pensaient pouvoir trouver les neurotoxines grâce à la Daphnie après
les attentats.
Thermocline : le plancton y est bien développé : ils peuvent trahir les armées (sous-marins) en
faisant bloc aux ondes acoustiques ou alors en émettant de la bioluminescence.
Suivi de Temora longicornis
L’ajustement correspond à la marée moyenne. Montre que la haute fréquence est utile puisque
sans elle, on pourrait avoir une autre tendance.
Pour la nourriture du plancton, elle est inhomogène sur la colonne d’eau et les copépodes sont
eux aussi dans des zones de patch de chlorophylle.
Tout ça pour dire qu’il faut faire attention à l’échelle / au processus étudié.
Recherche récente :
Chaque espèce possède plusieurs capteurs, capable d’optimiser sa recherche de nourriture (ou
de sa proie), puis capable de tenter une approche pour attaquer → tous ces phénomènes se
déroulent à une échelle très fine.
D’autres articles montrent que parfois la femelle décide de la reproduction (ce n’est pas juste
le mal qui détecte le gradient) : il n’y a pas de loi générale.
2.3
L’échelle de l’individu → vers l’échelle de la population permettant de voir la production
secondaire et les flux de matière → toujours pas de généralisation. Il faut comprendre
l’échelle fine avant de passer à une échelle supérieure (ce qui n’est pas fait en physique).
IV.
À l’échelle de la population : les bancs de poissons
C’est une stratégie de groupe. Quand ils se regroupent, on a l’impression qu’ils sont un méta
organismes (moins de prédation) : c’est parfois aussi le seul moyen de faire la reproduction
pour maximiser le succès de la reproduction (surtout quand la reproduction est extérieure).
Frontier et al. 1992
Des organismes de tailles différentes perçoivent le milieu aquatique à des échelles
spatio-temporelles différentes.
Pour le phytoplancton, on ne peut pas faire de l’échelle journalière
Pour les baleines, on peut faire une synthèse mensuelle
Des organismes de tailles différentes sont traversés par des flux d’énergie d’intensités
différentes
L’homme a le temps de faire un cycle en 24h, alors qu’en 24h, le plancton a déjà fait n
cycle
→ Dépendance entre échelle : Phénomène physique (marée) + phénomène biologique qui
est fortement influencé par la marée : dépendance d’échelle. De même pour les saisonnalités :
cycle de production d’une espèce et cycle saisonnier.
→ Interactions entre échelle : Cycle des poissons 30-40 ans. Sur une période plus courte, on
a une décroissance (corrélée avec la pêche par exemple), alors que sur plusieurs années, on a
un cycle climatique ou lunaire (peu importe) → l’espèce va diminuer même si on arrête la
pêche. Il y a un phénomène à grande échelle qui peut affecter l’observation à plus petite
échelle. Il faut replacer les statistiques dans leur contexte. Turbulence qui induit des
changements biologiques.
→ Transfert d’échelle : Comment passer de l’échelle individu à l’échelle de la population, et
extrapolation à l’écosystème ? C’est le défaut et défi de la recherche. L’extrapolation
s’appelle le transfert d’échelle. On peut aussi faire l’inverse : dans l’écosystème, si la
température augmente, comment vont réagir les individus ? Ce n’est pas logique ! Il faut
d’abord comprendre la petite échelle pour extrapoler, et comprendre quels sont les moyens de
faire ce transfert d’échelle.
Pourquoi s’intéresser aux études multi-échelle ?
Un processus → beaucoup de mécanismes à petites échelles, et ce processus n’est pas isolé, il
est couplé à d’autres processus et des processus à plus grande échelle. Pour étudier un
phénomène, il faut :
Poser la bonne question
Définir les échelles caractéristiques (forçage principal = marée, donc échelle de la
marée)
2.4
Établir le schéma fonctionnel du système étudié (modèle conceptuel)
Définir la stratégie d’étude (échantillonnage par mesure, analyse de données et
simulation
Confronter les hypothèses initiales et tenter de les valider ou de les infirmer
Perspectives : se poser de nouvelles questions
Attention au vocabulaire :
-
État du système à l’instant
Le système est observé à une fréquence
Les variables (ou paramètres) mesurées à l’instant nous donnent une information sur
l’état du système à l’instant
Est-ce que toutes les variables d’un système sont mesurables ? NON, il faudra
compléter en laboratoire
Une mesure (observation) n’est qu’une estimation de l’état d’une variable (ou plusieurs
variables) à un instant donné et pour une position spatiale donnée : plusieurs erreurs :
-
V.
Liées à l’acquisition des observations
Liées à l’interprétation :
o Auto-corrélation : on fait la corrélation entre la série elle-même et celle décalée
d’un pas. On fait un graph entre tous les décalages (corrélation vs pas). Permet
de donner la périodicité sans l’analyse spectrale. Quand c’est un phénomène
qui bouge dans le temps et dans l’espace
Idée 1 : La biologie est totalement dépendante de la
physique
Comment peut-on expliquer le maintien de certaines populations
zooplanctoniques (Eurytemora affinis) dans la zone oligohaline (0,5-10 psu) des
estuaires ? Mécanismes d’adaptation
On sait que c’est la marée qui influence le milieu estuarien, donc on se focalise sur l’échelle
‘marée’. Mécanisme d’osmorégulation : ajustement de la salinité interne par rapport au milieu
externe.
Observation : échelle de la marée. Il est important et indispensable de comprendre les effets
de la marée (hydrodynamisme) sur la structure de la population d’Eurytemora affinis.
Comment échantillonner tous les stades de développement ?
Quels sont les mécanismes de maintien de la population ?
Existe-t-il une salinité préférentielle de la population ?
Synthèse bibliographique des travaux :
-
Copépode retrouvé principalement près de l’embouchure
Maximum d’abondance au printemps
2.5
-
Plus la salinité est forte et moins l’abondance de la population est importante.
Définition de l’habitat apparent de la salinité : entre 2,5 et 12 → beaucoup d’individu. Cette
espèce arrive à se maintenir dans ce milieu (mais cela ne veut pas dire que c’est son optimum
physiologique). C’est un point de vue pseudo-lagrangien. Pour le pélagique, on privilégie
plutôt la stratégie eulérienne.
Est-ce que le modèle SiAM 3D peut aider à mieux optimiser la stratégie d’échantillonnage ?
Maillage avec modèle hydrodynamique très fin : vitesse, température, salinité, tout
l’hydrodynamique : comment les particules se déplacent dans cet estuaire.
On prend des particules passives que l’on intègre dans le modèle à différent endroit de
l’embouchure. On suit les trajectoires (toujours en surface, près du fond)à : débat dans la
littérature qui dit qu’il y a une migration verticale pour optimiser la position dans la zone
estuarienne. D’autres disent que le plancton est resté piégé comme la MES (bouchon vaseux)
à dans cette zone → on cherche à démontrer si la population a un comportement actif ou
passif.
Simulation de trajectoire dans le modèle
Au bout de plusieurs cycles de marée, la particule sort du domaine si elle reste en surface. Si
la particule est en profondeur, elle subit moins les effets de l’advection → le copépode a
intérêt à rester près du fond pour ne pas être emporté.
Il faut raisonner en relatif (distribution relative) en terme de probabilité : on fait la simulation
avec un nuage (densité) de particules → on simule une loi de probabilité (normale par
exemple). Là, on commence avec une loi uniforme (on met toutes les particules au même
point) et on regarde comment évolue la loi. On donne un comportement simpliste aux
particules : pendant le flot, les particules doivent être en surface pour pouvoir revenir. Pendant
le jusant, il faut que les particules sédimentent activement (0,1mm/s) pour ne pas être
emportée au large).
Deux scénarios
Sans comportement : la biologie est dépendante de la physique
Avec comportement
Après quelques heures, la densité se déplace vers la baie de Seine. À 19h, le sens de la marée
est inversé. Les particules reviennent vers l’embouchure. Après 19h, on ne voit pas réellement
de différence. La densité sur le modèle ‘comportement’ est plus faible car on a déjà
commencé à forcer les particules à remonter. À 23h, on commence à voir une différence ; on
démarre un nouveau cycle. La population est moins dense lorsque le comportement n’est pas
dans le modèle. On garde le patch dans le modèle ‘comportement’. Ce modèle
‘comportement’ natatoire pourrait donc permettre à la population de se maintenir dans
l’estuaire.
C’est la campagne terrain qui pourrait valider ou non cette simulation. Il faut échantillonner
au centre de gravité de la population. La bouée MAREL peut permettre d’avoir une idée de la
turbidité (permet d’estimer les particules passives).
2.6
Turbidité :
-
Marée
Marées d’équinoxes (2 fois par an)
Analyse de densité spectrale pour avoir le forçage le plus important :
-
Pic à 12h le plus important
Pic à 14 jours
La marée est le facteur le plus influant pour la turbidité.
On doit établir un plan d’échantillonnage → marée moyenne car pas le droit de sortir en
marée les plus fortes. Échantillonnage en point fixe (eulérien) et à haute fréquence (10
minutes pour se rapprocher de MAREL) par bouteille Niskin :
-
Surface
Intermédiaire
Fond
Profondeur : jusant beaucoup plus long que le flot. La salinité varie de 0 à 24 avec un gradient
entre la salinité de fond et de surface (plus forte en profondeur). La température suit le
gradient inverse : plus chaud en surface qu’en profondeur.
Dans la population, on a un grand nombre de stade de développement : 6 stades larvaires
(Nauplii), 2 stades copépodiques, 1 stade adulte reproducteur (dimorphisme sexuel).
De 100 µm à 1mm : N total de la population + tous les stages de développement.
Abondance totale :
Jusant : plus d’individu près du fond et on peut atteindre des densités de 600 000 individu par
m3 (énorme). Pendant la transition (eau douce) pas de copépode. Durant le flot, mélange des
masses d’eau lié à l’hydrodynamisme → colonne d’eau assez homogène.
On peut définir deux classes de stades de développement :
Larvaire Nauplii densité N(N)
Copépodiques et adultes qui ont des capacités natatoires densité N(C+A)
Quelle est la proportion des individus en surface sur la somme (surface + fond)
On trouve un ratio : en moyenne pendant le jusant, 10% d’individu qui reste n surface (peu
importe les stades actifs ou passifs) → 90% restent près du fond. Pendant la transition, on ne
voit pas grand-chose. Remise en suspension, on remarque que pendant quelques heure, on a
50% en surface et au fond et on commence à voir une différence entre les nauplii qui reste à
50% en surface et fond alors que les adultes et copépodiques vont volontairement se
rapprocher du fond → migration active vers le fond.
Attention, il n’y a qu’il seul cycle, donc on doit tester si ce cycle se répètent à d’autre moment
de l’année → recommencer avec 50h de prélèvements.
Prélèvement surface et fond (plus d’échantillonnage intermédiaire)
Profileur ADCP
2.7
Autres facteurs : pollution, chlorophylle, MES
Salinité : Entre 0 et 24 ; Toujours une différence entre le fond et la surface : cycle de répète n
fois + succession jour / nuit ; Température de 13 à 16°C.
Vitesse de courant
Beaucoup plus au fond et moins en surface. Quand salinité très faible, plus rien. Le
phénomène se répète plusieurs fois. Est-ce que la répartition est toujours liée à
l’hydrodynamisme ou non ?
Comment sont répartis les stades au cours de la marée pour la population du fond ? (Devreker
et al)
La proportion des stades varient aussi en fonction de la marée : tout le rythme de la population
est déterminé par la marée.
Synthèse du maintien
-
-
Vitesse de courant faible : population capable de faire des sauts (activité de nage) dans
la verticale
Elle a une fécondité plus élevée que les populations que l’on observe dans d’autres
cours d’eau pour compenser les pertes en recrutement. 30-40 œufs dans la Seine alors
que 5-6 en Gironde.
Les stades passifs sont capables de résister sans nourriture dans toutes les gammes de
salinités et attendent les meilleures conditions pour se développer avec des conditions
optimales de 15 psu. Le stade N1 est totalement hermétique (durée de développement
toujours la même. À N2, le stade est beaucoup plus fragile et met plus de temps à se
développer. Le stade N3 est développé même si pas de nourriture, car il a assez de
réserves.
Conclusion : adultes : mécanismes natatoires et forte fécondité de la femelle + stratégie
qui protège sa descendance pour qu’elle trouve des bonnes conditions de développement.
Distribution and retention (Castel et Vega)
Conclusion : la population se maintient par des mécanismes passifs. L’échantillonnage a été
imposé par la centrale nucléaire.
Débit pendant l’été faible et peut atteindre 2000 m3/s. Le bouchon vaseux est poussé vers
l’embouchure à fort débit et revient à faible débit.
Travaux d’observation du comportement natatoire en utilisant un système de pompe à air pour
voir si les organismes se maintiennent dans la colonne d’eau. Quand on regarde la surface et
le fond, on ne sait pas à quel moment de la marée on se trouve. Ils ont fait des réplicas
pendant la marée avec l’erreur standard liée à la marée. Par moment valeur moyenne proche
et parfois plus en surface qu’au fond, même si la plupart du temps, on a tendance à avoir plus
de copépode au fond qu’en surface. La stratégie d’échantillonnage n’a pas permis de lier ces
résultats à l’influence de la marée. Ils ont pourtant conclut qu’il n’y a pas de différence entre
2.8
la surface et le fond → c’est ce qui leur a fait conclure que les mécanismes passifs
(hydrodynamiques) maintenaient la population de copépode dans l’estuaire de Gironde.
Mise en évidence directe de l’influence de la marée sur le copépode
Pourcentage par rapport au fond : 90% qui sont près du fond. Les adultes remontent
rapidement et les copépodiques un peu moins vite. Les stades larvaires restent toujours plus
ou moins au fond.
→ expliquer par une accélération de la vitesse, qui est proportionnelle à la taille du copépode
(les adultes remontent plus vite que les stades mobiles inférieurs). Le comportement n’a été
observé que pendant la pleine mer (vitesse de courant le plus faible). Les organismes sont
capables de faire leur migration que quand les courants sont moins forts. S’il dépasse cette
fenêtre de temps, ils seront importés par la marée.
Modèle
Bien adapté sur la surface, mais pas au niveau de la verticale (composé de 6 mailles sur la
verticales). Il fallait faire une représentation très détaillée sur la verticale, pour savoir si le
comportement était suffisant pour expliquer le maintien de la population.
On s’intéresse aux échelles supérieures (année, changement climatique etc.) car le maintien
dans la zone de salinité avec son hydrodynamisme avait déjà été observé. Est-ce qu’on
observe toute l’année la même chose ?
Il faut proposer un protocole d’échantillonnage simple et peu cher pour un suivi sur une
année. Campagne EURYPROD : tous les mois pour le max d’abondance puis quelques mois.
Phénomène de refroidissement local
À 15°C,
1997, on obtenait environ 1000 individus /L.
2004 = 300 individu /L et
2005 = moins de 100 individus/L
On peut faire :
-
Une tendance à la baisse et conclure que l’espèce disparait
Débit : débit très faible
Salinité qui augmente (intrusion saline)
Chlorophylle et diatomées : plus de diatomées marines cette année-là.
Température : confirmation de la forte anomalie négative.
Au lieu d’avoir une population qui a un pic en mai-juin, on n’a pas eu de maximum
d’abondance car les populations de mars-avril étaient âgées et ont passés l’hiver, il y a donc
eu une forte mortalité et peu de recrutement>
Année atypique avec débit faible et augmentation salinité avec l’intrusion marine. Qualité de
l’habitat non favorable à l’espace. Qualité de population faible (pas les moyens d’assurer le
2.9
développement embryonnaire). Pour pouvoir confirmer que le phénomène est lié à des
conditions hydrologiques, il a fallu augmenter l’échantillonnage sur toute l’année.
Si on observe la fécondité des femelles, on trouve qu’elle augmente → il n’y a pas de
problème lié à la fécondité. Fécondité = échelle individuelle (nombre d’œufs par femelles).
Alors que le nombre d’individu est à l’échelle de la population (les premières femelles ont
donné naissances à d’autres qui sont plus féconds).
Distribution de la taille
On est passé à une autre génération. Au début forte variabilité car ces individus ont pu
rencontrer une forte variabilité environnementale (fin d’une cohorte qui a prolongé sa survie
car froid = moins d’énergie donc survive plus longtemps). La nouvelle génération est plus
homogène et plus petite, mais plus féconde.
Souvent, on pense qu’il y a une relation log-linéaire entre la taille et la fécondité (les plus
grands se reproduisent plus).
Deux distributions
En suivant les paramètres individuels et populationnels, on arrive à faire la part de ce qui est
biologique, physique etc.
2.10
Partie 3.
Bilan échelle
Échelles :
-
-
Océanographie : science pluridisciplinaire (physique, chimie, biologie)
Indispensable couplage physique / biologie
Intégré la physique dans la biologie : pas d’outils. Donc on veut savoir au moins s’il y
a des correspondances entre les échelles (la marée affecte-t-elle un mécanisme ?).
Échantillonner à une mauvaise échelle donne des résultats réels faux.
Échelle de la marée, ME, VE, saisonnière, interannuelle : faire le bilan de l’échelle la
plus pertinente pour étudier le phénomène
Température, turbulence etc. → avoir l’intensité de la physique
Exemple sur le zooplancton :
-
-
Ensemble des organismes qui ne peuvent pas s’affranchir des courants (peu de
capacité natatoire)
Copépodes : isolé de son milieu, cet organisme a un comportement natatoire qui a un
sens à son échelle (détection de la présence de phéromone avec comportement
optimisé). Il est donc actif à SON échelle alors qu’il est passif à plus grande échelle.
On lui impose des lois générales alors que chaque organisme agit différemment.
Dans un estuaire, on trouve un continuum d’habitats :
-
Eau douce
Estuaire moyen
Estuaire marin (embouchure)
Marée + débit = habitat de l’estuaire moyen très variable. Comment la biologie est répartie
selon un continuum ? Définition de l’habitat selon un gradient de salinité :
Eau douche
Eau marine
Eau intermédiaire variable : Eurytemora affinis = toujours présent (pas de migration).
Synthèse des mécanismes expliquant le maintien de la population dans l’estuaire :
Différent stade de vie pour comprendre le cycle d’une espèce → ces stades plus jeunes ne
sont pas échantillonner en WPII (200µm, standard).
Il ne faut pas privilégier un stade de vie pour l’étude (ex : poisson car mangé adulte) :
-
Copépodites
Adultes
Au cours du cycle de vie, l’organisme doit s’adapter pour survivre. Objectif de la population
(fitness) :
-
Reproduction
Se nourrir → bonne croissance
3-1
-
Augmenter la survie (fécondité vs prédation). Mortalité > recrutement → extinction
locale de la population
Échelle pertinente : la marée (surtout car système estuarien) :
Mécanismes à l’échelle de la marée :
Activité natatoire : exploration des hypothèses en utilisant un modèle
hydrodynamique (bille sans comportement et avec comportement de nage) avec une
montée des organismes pendant le flot, et une sédimentation passive pendant le jusant.
Pendant le jusant, tous les stades de développement sont près du fond (où la vitesse de
courant est plus faible). Du jusant au flot, RES. Le copépode commence à faire des
mouvements après cette remise en suspension.
Hypothèses :
o Le copépode a un rythme biologique dans les gènes ;
o C’est la marée qui induit un facteur physique externe induisant la migration
verticale (salinité, turbulence, changement de vitesse) ;
o Pas de mouvement, organismes passifs qui suivent les particules.
Quelle que soit l’hypothèse, elle contient de la physique.
Fécondité individuelle : Dans toutes les conditions, la femelle a intérêt à produire
beaucoup d’œufs, car il y a beaucoup de perte lié à la prédation, le stress, la turbidité
etc.
Attention différence entre reproduction (nombre d’œufs pour une population) et
fécondité (nombre d’œufs par femelle)
La femelle investit beaucoup de ses réserves dans la qualité de chaque œufs (sans
nourriture, ils peuvent survivre plusieurs jours).
À l’échelle annuelle,
Biologique : pas les mêmes générations → messages biologiques entre les générations
Physique : forçages des conditions environnementales (température, salinité,
photopériode)
Augmentation de température au printemps : stratification, activité métabolique,
accélération du développement, moins de mortalité car plus de nourriture
(phytoplancton) → abondance (recrutement) qui augmente avec la température.
Recrutement : l’arrivée de nouveaux individus à une phase de cycle de vie (recrutement
d’adultes, de juvénile, nombre d’œufs etc.)
Prédateur qui fait que l’abondance ne peut pas croitre exponentiellement.
Quand on a une anomalie climatique (il faut l’identifier sur plusieurs années pour prouver que
l’année est anormale).
On doit intégrer la marée quand on a un phénomène déterminé par la marée → échelles
imbriquées. Si on veut sur une année, il faut prendre plutôt le maximum, ou alors avoir un
paramètre de ‘référence’ comme la salinité.
Il ne fait jamais négliger un référentiel physique. Toujours calibrer par rapport à la physique
3-2
Partie 4.
Introduction à la turbulence : turbulence homogène,
couplage physique / biologie dans l’environnement marin
Les écosystèmes et les organismes ont une influence très forte du milieu qui est en état de turbulence.
Comment tenir compte de la turbulence et caractériser le milieu et son influence sur l’organisme.
Rappel opération sur les puissances :
I.
Introduction
1. Définitions
Domaine complexe et non résolu : les équations sont connues, elles sont déterministes, mais elles sont
non linéaires et ne peuvent être résolues (c’est en général le cas pour les fluides).
→ Cray Fundation
La turbulence est un phénomène universel dans les sciences de la nature : tous les fluides dans la nature
sont turbulents.
Nombreuses définitions correspondant à différentes caractéristiques de la turbulence :
Vision d’artistes (Van Gogh, Da vinci)
Concerne l’atmosphère (panache turbulent lors d’éruption etc.) et l’océan
Nuages et aviation
Fumées
Cours d’eau
Dans le domaine de l’ingénierie la non-résolution de l’équation entraine un
surdimensionnement des avions (portance supérieure). Pour dimensionner les avions
correctement, il faudrait comprendre ce qui se passe derrière le passage de l’avion (valable aussi
pour les trains et les voitures).
4-1
La turbulence magnétohydrodynamique (MHD) : pour les fluides conducteurs (plasma, soleil).
Ces équations sont différentes (ajout de termes correspondant au fil conducteur).
Cosmologie : pas supposé être les équations de Navier-Stocks, mais les images astronomique
montrent aussi une certaine turbulence.
Dans une chambre de combustion, les simulations numériques montrent de la turbulence → les
réactions chimiques mettent en contact des réactifs : on met donc en mouvement les particules
pour qu’elles se rencontrent et entrainent la combustion. C’est valable dans tous les domaines
de la chimie.
Turbomachine : ce sont des machines crées, sans connaitre le modèle de la turbulence. Il n’y a
pas la théorie, ces machines sont construites à partir de modèle et d’expérimentation.
Le transport de particule est un domaine d’application important de l’étude de la turbulence
(aussi bien transport de vivant qu’autres).
Science de la nature : boue, lave
La turbulence a aussi lieu dans un contexte biologique : turbulence dans les bio-fluides (sang
etc.).
Les équations de la turbulence sont newtoniennes, mais il existe aussi une turbulence non-newtonienne,
qui a des réactions différentes (souvent rencontré dans les écoulements biologiques et l’industrie
agroalimentaire).
Exemple 3 :
Fluide newtonien : eau
Fluide non newtonien : peinture, colle (viscosité et autres propriétés)
Il y a autant de loi de comportement de turbulence que de loi du fluide. Ces fluides non newtoniens
sont souvent caractérisés par de longues molécules polymériques.
2. Définition et propriétés
a.
Le chaos et les solutions aléatoires
Les équations de bases sont déterministes (si on connait l’état initial, on connait l’état final → relation
de cause à effet). En revanche, les solutions à ces équations sont chaotiques : deux solutions très
proches vont diverger : une infime différence dans la solution entraine des trajectoires totalement
différentes.
Par conséquence, puisque les solutions proches divergent, on ne peut pas prédire un phénomène (ex :
prédiction météorologique) → perte de prédictibilité. Il faut alors utiliser des méthodes aléatoires
pour modéliser les solutions. On peut par contre avoir des solutions statistiques, qui correspondent à la
moyenne des trajectoires prises par le modèle.
b.
Très grande gamme d’échelle
Échelle spatiale : du mm (bactérie en dessous de l’échelle de la turbulence, elle ne sera donc pas
impacté en théorie) jusqu’au millier de km
Échelle temporelle : de la milliseconde à l’année
Très grand nombre de degré de liberté
4-2
Interaction entre échelle : le système est non linéaire et il existe des interactions entre les
échelles
c.
Tridimensionnels et rotationnels
Écoulement 3D
Écoulement rotationnel (tourbillons, filaments)
d.
Système dissipatif
L’énergie est dissipée par le frottement : elle a besoin d’être entretenue pour être maintenue. Il y a donc
besoin d’une source de turbulence. En laboratoire, on est donc obligé
d’introduire le mouvement.
Dans l’environnement, la source est la météorologie, l’axe de la terre,
qui induit des différences de température et de pression qui induisent
(parmi d’autres facteurs) des cascades de turbulence.
La turbulence permet de bien mélanger : le mélange par turbulence est
beaucoup plus puissant et efficace que le mélange moléculaire. La
turbulence transporte la chaleur, l’énergie, la quantité de mouvement,
les molécules dissoutes, la chimie, les particules, c’est un transport
dans toutes les directions.
3. Historique
Osborne REYNOLDS- britannique (1842-1912). Le nombre de Reynolds apparaît pour la
première fois en 1883 dans son article intitulé An Experimental Investigation of the
Circumstances Which Determine Whether the Motion of Water in Parallel Channels Shall Be
Direct or Sinuous and of the Law of Resistance in Parallel Channels.
Joseph BOUSSINESQ - français (1842-1929). Modélisation des ondes de surface en eau peu
profonde : équation de Boussinesq et sa résolution ; Modélisation des écoulements visqueux :
Équation BBO (J.V. Boussinesq, A.B. Basset, C.W. Oseen) et sa résolution ; Dynamique des
fluides et hypothèse de Boussinesq pour la modélisation des turbulences ; Méthode du potentiel
pour résoudre un système d'équations linéaires à l'aide d'une convolution, avec applications en
mécanique des milieux continus (fluides, élasticité)
Ludwig PRANDTL - allemand (1875-1953). Théorie de la couche limite et théorie de la
résistance des solides. Le nombre de Prandtl représente le rapport entre la diffusivité de quantité
de mouvement ν (ou viscosité cinématique) et la diffusivité thermique. Le nombre de Prandtl
compare la rapidité des phénomènes thermiques et des phénomènes hydrodynamiques dans un
fluide. Un Prandtl élevé indique que le profil de température dans le fluide sera fortement
influencé par le profil de vitesse. Un Prandtl faible (exemple: métaux liquides) indique que la
conduction thermique est tellement rapide que le profil de vitesse a peu d'effet sur le profil de
température.
A.N. KOLMOGOROV - russe (1903-1987). Équation de Kolmogorov et structures en
turbulence développée
4-3
4. Les quantités en turbulence
a. Le grand nombre de Reynolds caractéristique d’un écoulement pour un fluide
donné
Grand nombre de Reynolds (qui appelait la turbulence « mouvement sinueux du fluide »), qui s’est
rendu compte que le fluide ne devenait sinueux qu’à partir d’une certaine vitesse.
La viscosité peut être définie comme la résistance à l'écoulement uniforme et sans turbulence se
produisant dans la masse d'une matière. La viscosité dynamique correspond à la contrainte de
cisaillement (frottements) qui accompagne l'existence d'un gradient de vitesse d'écoulement dans la
matière.
Avec U la vitesse caractéristique ; L l’échelle caractéristique ; ν la viscosité
Écoulement laminaire : trajectoires régulières, 2
mesures successives donnent la même valeur
Transition vers la turbulence : apparition
d’irrégularités, d’instabilités
Turbulence : mouvements irréguliers, aspect aléatoire
Reynold cherchait à partir de quel moment le fluide shiftait
d’un écoulement laminaire vers un écoulement turbulent. Il
cherchait donc la vitesse à partir de laquelle ce shift arrivait.
Une fois la première vitesse de transition trouvée, Reynold a
changé le diamètre et a conclu que la vitesse était proportionnel à l’inverse du diamètre (
).
Puisqu’on cherche l’universalité en physique, il a également fait varier la viscosité (ν)
→
Analyse dimensionnelle :
Si la constante de Reynolds est inférieure à 2000, l’écoulement est laminaire. Si la constance est
supérieure à 3000, l’écoulement est turbulent.
Exemple 4 :
Pour une petite rivière ayant une vitesse moyenne assez faible, on a déjà un
nombre de Reynolds très élevé : cela montre qu’il va exister beaucoup de turbulence dans
le milieu naturel. Dans l’océan, pour 1000 km, et une vitesse de 1m/s, on obtient Re =
5.1011
b.
Exemple d’écoulements
Géométrie simples
Permettent des comparaisons et l’isolation des phénomènes
4-4
De nombreuses applications pratiques
À l’échelle microscopique, les fluides ne glissent pas sur le solide.
Le fluide est obligé d’avoir la même vitesse à la paroi (vitesse
relative). Il y a alors une zone d’influence autour du mouvement
(par exemple autour de la voiture, qui fait consommer plus). La
vitesse d’un élément de fluide n’est pas constante mais on fait des
moyennes qui correspondent aux lignes de courant.
Condition de base : pas de glissement sur la paroi. À microéchelle, la surface d’un objet est rugueuse, et la vitesse du fluide est
nulle. Au contact de la paroi, vitesses tangentielle et normale nulles.
Lignes de courant : Lignes tracées, tangentes au vecteur vitesse moyen.
Cartes d’intensité : Souvent carte de couleur pour les fluctuations, l’énergie, selon la région de
l’écoulement.
Vitesse instantanée toujours très irrégulière : Souvent on ne considère que la moyenne, en fonction
de la position.
En général, influence des parois sur l’écoulement moyen et les fluctuations. C’est surtout la géométrie
des parois qui détermine l’écoulement moyen aux alentours.
Écoulements
Poisseuil
Écoulement dans une conduite circulaire. La vitesse est très faible au niveau des parois, et elle
augmente lorsque l’on s’approche du centre du tube (maximale au centre).
Couette
Écoulement dans un canal (époque de construction des canaux).
4-5
Jet
1.
2.
Jet (souvent utilisé pour la combustion) : qui crée un panache après le jet (1). Il existe aussi les jets biannulaires (2).
Marche
Écoulement après la marche : permet de déterminer un point de jonction (caractériser l’écoulement à
partir du moment où il touche après la marche).
Exemple 5 :
Lutte des poissons contre le coutant qui se mettent derrière un caillou pour
éviter d’être emporté par l’écoulement.
Écoulement complexe : sillage derrière un cylindre
Long cylindre : écoulement dans une direction
perpendiculaire ; quelle est la perturbation induite ? Quand
on est loin du cylindre, ce n’est pas perturbé alors qu’au
niveau du cylindre, forte turbulence : c’est le sillage.
4-6
Notion de portance et de trainée
Le profil de l’aile crée la portance. La portance aérodynamique est la composante de la force subie par
un corps en mouvement dans un fluide qui s'exerce perpendiculairement à la direction du mouvement.
C'est la portance des aérodynes (engins plus denses que l'air).
c.
Concept de turbulence
Fluide : Substance déformable sans forme propre qui change de forme sous l’action d’une force externe
qui lui est appliquée. Forme conservée seulement si un corps solide limite le domaine (récipient qui
contient le fluide).
Équation du mouvement
Dynamique de Newton :
(force = masse * accélération)
Elle peut être appliquée à un élément fluide. Pour l’appliquer, il faut effectuer des dérivés partielles
(par rapport à une des variables / composante de la vitesse) pour faire varier la taille du cylindre.
Figure 2. La dérivée partielle (ici en fonction de x).
Équation de Navier-Stokes
le vecteur vitesse qui possède 3 composantes car en 3D
l’évolution de la vitesse
le gradient de pression
la dissipation visqueuse
Quand
→ incompressibilité (volume conservé)
→ Non linéaire et couplage
Le premier terme est l’accélération (évolution de la vitesse) et à gauche, c’est le gradient de pression
(c’est ce gradient qui fait que le fluide accélère) avec la dissipation visqueuse, dû à la nature du fluide.
4-7
L’équation est non linéaire car elle est une succession de produit de
. Ainsi, si on multiplie
par 2,
certain terme vont être multiplié par 2, d’autres par 4, et d’autres resterons inchangés.
est aussi
présent dans les autres lignes → on parle de couplages car chaque variable se retrouve dans toutes les
lignes du système.
d.
Équation de transport turbulent (scalaire passif)
Les scalaires passifs sont la température, la salinité, un colorant. Les scalaires actifs sont eux-aussi
transportés, mais ils ont des réactions durant ce transport (fluidité).
Avec
l’advection, le transport de la température par la vitesse
la diffusivité thermique (analogue à la viscosité du scalaire actif)
le terme diffusif
L’équation peut paraitre linéaire (si on multiplie T par 2, tout sera multiplié par 2). En revanche, la
présence de
dans cette équation la rend non linéaire.
L'advection correspond au transport d'une quantité (scalaire ou vectorielle), par un champ vectoriel.
C'est une notion courante en mécanique des fluides car toutes les caractéristiques d'une particule fluide
sont advectées lors de son déplacement au sein de l'écoulement. Dans l'équation de Navier-Stokes,
l'advection du vecteur vitesse apparaît dans le terme d'inertie, qui correspond à l'advection de la
quantité de mouvement.
En météorologie et en océanographie, l'advection se réfère surtout au transport horizontal de certaines
propriétés par les fluides considérés, dont le transport par le vent ou les courants : advection de vapeur
d'eau, de chaleur, de salinité, etc.
La diffusivité thermique est une grandeur physique qui caractérise la capacité d'un matériau continu à
transmettre un signal de température d'un point à un autre de ce matériau. Elle dépend de la capacité du
matériau à conduire la chaleur (sa conductivité thermique) et de sa capacité à accumuler la chaleur
(capacité thermique).
e.
La viscosité caractéristique du fluide
Évolution de la viscosité (m²/s) pour l’eau : la viscosité de l’eau dans l’air (évaporation) augmente avec
des températures chaudes, la viscosité de l’eau diminue avec des températures faibles. La viscosité est
dépendante de la température.
Exemple 6 :
Petite viscosité = miel. En effet, le miel se déplace lentement sur une surface.
La viscosité dépend aussi de la salinité, mais en moindre mesure (c’est surtout la température qui a une
influence sur la viscosité).
4-8
f.
Énergie cinétique caractéristique de l’écoulement
Quand on a une variable aléatoire, on prend la moyenne et la variance. Pour l’énergie cinétique,
On peut estimer la valeur moyenne de la vitesse
Fluctuations : on enlève la moyenne
Moyenne nulle de la résultante
On calcule les variances dans les 3 directions
On prend la moitié de la somme des 3 variances pour définir l’énergie cinétique
(m est la masse, considéré constante, assimilable à la viscosité). En mécanique des
fluides,
est noté
l’écoulement.
. L’énergie cinétique est calculée pour un point donnée, et elle caractérise
On applique cela aux 3 dimensions qui caractérisent la vitesse :
4-9
Exemple de canal plan : écoulement de Couette
Mesure de la vitesse moyenne : aux parois la vitesse est nulle et la vitesse la plus importante est au
centre du canal (1). La variance de u, v, w montre qu’il y a une énergie cinétique forte à la paroi (2).
C’est l’interaction entre la paroi et le fluide qui entraine cette augmentation de l’énergie cinétique,
dont le frottement en est la cause.
1.
2.
Au moment où les deux fluides se rencontrent (écoulement ‘Jet’), l’énergie cinétique est aussi plus
importante (2).
1.
2.
g.
La dissipation = ε
Quand on veut caractériser un écoulement, il faut donner la dissipation. Elle est liée à un tenseur
(‘matrice de déformation’). La dissipation est fonction de la viscosité et de la somme de la déformation.
4-10
Au niveau expérimental, on utilise des formules simplifiées, permis car cas d’isotropie (les statistiques
sont les mêmes dans toutes les directions). Mais c’est seulement une estimation.
On peut mesurer l’efficacité du mélange : étude d’ordre de grandeur
Exemple d’application
Temps moléculaire / temps turbulent = temps de Nusselt = Nb de Reynold*nombre de Prandtl
Si ce rapport = 1000, ça veut dire qu’il faut 1000 fois plus de temps pour la diffusion moléculaire que
pour la diffusion turbulente.
Le nombre de Reynolds est déterminant dans la diffusion (car souvent, on prend nombre de Prandtl
=1).
h.
Contrainte et déformation
Tout solide ou fluide est caractérisé par une relation entre une contrainte et une déformation qui
détermine son comportement sous une contrainte extérieure : c’est une relation constitutive.
Fluide newtonien : déformation = cte * contrainte (relation linéaire)
Fluide non-newtonien : toutes les autres relations entre déformation et contrainte (non linéaire)
Référentiels eulérien et lagrangien
Eulérien : mesure dans un référentiel fixe (photo satellite, mesure en point fixe, organisme benthique)
Lagrangien : on suit la particule (advection d’une bouée, plancton)
i.
Turbulence homogène et isotrope
Homogène : propriété statistique de la turbulence sont les mêmes en tout point de l’espace ; loin des
parois.
Isotrope : les propriétés statistiques sont identiques dans toutes les directions.
Turbulence pleinement développée : grand nombre de Reynolds.
Ce sont des hypothèses qui permettent de faire des interprétations de la turbulence. ‘Il y a une
homogénéité dans l’hétérogénéité’.
→ Des grandes échelles vers les petites (ce sont les grands tourbillons qui imposent les petits, les petits
tourbillons ne pourront jamais en former des grands).
Kolmogorov (1941) a quantifié ce phénomène :
On injecte l’énergie à une grande échelle L (km), et elle se dissipe à une échelle η (mm)
Hypothèses : il existe une cascade d’énergie → la manière dont on a injecté l’énergie ne va pas influer
à petite échelle. Ainsi, la vitesse ( ) ne va dépendre que de l’échelle ( ) et de la dissipation ( ) →
Il a fait des analyses dimensionnelles (ordre de grandeur) afin de trouver les exposants liés à chacun des
termes de l’équation :
4-11
Pour équilibrer les équations on a :
Ceci devient la relation K41 ou Kolmogorov 41. Les fluctuations de la vitesse à l’échelle varient
comme la dissipation de l’énergie à la puissance 1/3 et l’échelle à la puissance 1/3. À plus grande
échelle, on a donc de plus grandes fluctuations.
K41 →
L’analyse dimensionnelle est vraie à une constante près.
Transformée de Fourier
Elle sert à estimer la dépendance en échelle – comme une ‘boite noire’. Quand on a une série
temporelle, on peut faire une transformée de Fourier pour avoir l’énergie en fonction de la fréquence :
Mettre en évidence des fréquences caractéristiques (périodicités, pic sur le spectre)
Les plages de bruits (spectre plat)
Les zones invariantes d’échelles (spectre en loi de puissance)
Avec
la fonction d’autocorrélation
Exemple
La relation de Kolmogorov a été écrite dans l’espace spectrale avec l’exposant -5/3.
En effet, pour chaque mesure de vitesse → spectre d’énergie
→ on regarde si
.
On l’écrit en général en log-log car c’est une loi de puissance
4-12
Si on a une droite log-log de pente -5/3, c’est qu’on suit bien une loi de Kolmogorov. La relation peut
être vérifiée seulement pour une certaine gamme de fréquence.
Injection (grande échelle = petite fréquence) → cascade → dissipation (petite échelle = grande
fréquence), le tout avec une relation de
.
Cascade de Richardson pour le flux de scalaire passif
Il faut introduire une quantité analogue à epsilon (dissipation) qui correspond à la diffusivité (χ) =
dissipation de la variance du scalaire passif.
Échelle de Kolmogorov
→ η est l’échelle de Kolmogorov, où la dissipation agit (mm). Il existe une approche pour
estimer η.
Donc pour estimer η, on prend = η
Pour estimer η, on prend Re=1
→
→
→
→
→ 0,3 mm < η < 10 mm
L’échelle de Kolmogorov (distance) est l’échelle à laquelle la turbulence va s’arrêter (on arrive dans un
régime visqueux, car l’écoulement est laminaire et la viscosité est dominante).
On veut savoir à partir de quelle taille d’échelle la particule ou autre n’est plus affectée par la
turbulence. Plus la turbulence est grande, plus l’échelle de Kolmogorov est petite (plus n doit être petit
pour ne pas être atteint par la turbulence).
L’échelle de Kolmogorov est applicable donc aux échelles mais aussi aux vitesses et aux échelles de
temps :
Vitesse
→ 0,1 à 3 mm/s
Échelle de temps : Analyse dimensionnelle :
4-13
→ plus de variation possible car puissance ½ (c’est le temps de tour d’un tourbillon)
C’est donc la vitesse et l’échelle de temps pour laquelle le milieu sera visqueux.
Ainsi, si le zooplancton est immobile, il est dans le régime visqueux. Lorsqu’il se met à nager, il
dépasse la vitesse de Kolmogorov, et se retrouve donc dans un régime turbulent.
Bilan
Injection d’énergie à grande échelle (10, 50m ou 10e de km)
Autres expressions pour le nombre de Reynolds
Ainsi, c’est le nombre de Reynolds est un rapport d’échelle (entre l’échelle d’observation et la petite
échelle).
Autres rapports d’échelle
Si on a le nombre de Reynolds, on peut avoir le rapport d’échelle
Exemple :
4-14
Nombre de Reynolds particulaires
Pour caractériser un mobile (il a une taille et une vitesse) dans un écoulement :
Taille d
Vitesse U
Par analogie, on introduit le nombre de Reynolds particulaire (qui caractérise le mouvement du
mobile) :
On peut regarder, selon la vitesse le nage d’un organisme, le nombre de Reynolds associé. C’est la
turbulence associée à la nage d’un organisme.
Exemple 7 :
La baleine → turbulent
Taille d= 100m
Vitesse V= 1m/s
Viscosité ν=10-6
Re = 108
Exemple 8 :
Larve de poisson → turbulent
Taille d= 1cm
Vitesse V= 1 cm/s
Viscosité ν=10-6
Re= 100
Exemple 9 :
Copépode → régime intermédiaire
Taille d= 10-3m
Vitesse V =10-3m/s
Viscosité ν=10-6
Re=1
Exemple 10 :
Micro-organisme → régime visqueux
Taille d = 10-5m
Vitesse V=10-4ms
Viscosité ν=10-6
Re=10-3
Relation allométrique qui relie la vitesse de nage à la taille de l’organisme (puisque ν est constant). Les
poissons et mammifères sont dans une zone de turbulence et en dessous, le zooplancton est dans une
zone de transition, les micro-organismes dans un régime visqueux.
4-15
II.
Scalaires passifs et actifs
Équation du transport turbulent, associé à l’équation de Navier-Stokes
Il existe aussi dans ce cas une cascade de Richardson pour les impuretés de scalaire passif de l’injection
vers la dissipation.
Pour le scalaire passif = χ (lié à la dérivé du scalaire passif)
Relation de Obukhov (1949)-Corrsin (1951)
Turbulence homogène et localement isotrope
Grand nombre de Reynolds
Fluctuations à toutes les échelles (entre l’échelle d’injection L et l’échelle de dissipation h)
Hypothèses: les fluctuations des petits tourbillons ont un temps plus rapide que les gros tourbillons:
ces fluctuations sont indépendantes des détails des gros tourbillons.
Universalité des fluctuations à petite échelle
Suppose que les fluctuations de température ne dépendent que de l’échelle locale l et de la dissipation
locale e, et de la dissipation de scalaire passif c.
Les fluctuations de vitesse dépendent de et de pour Kolmogorov – Obokhov a voulu faire la même
chose pour la température et il fallait ajouter puis il a fait une analyse dimensionnelle pour retrouver
la valeur des exposants.
Où la température s’exprime en °kelvin. D’après l’analyse dimensionnelle :
→
donc la relation devient :
χ et ε sont constantes et caractérise l’écoulement. χ est dépendant donc principalement de la vitesse (loi
d’échelle).
On peut vérifier, par exemple, si la fluorescence est scalaire passif ou actif : si il y a une différence dans
les statistiques, cela veut dire que la fluorescence est un scalaire actif (et on introduit alors une
dimension biologique). Cela permet aussi de voir à partir de quelle échelle il faut prendre en compte les
mécanismes biologiques pour la mesure de la fluorescence.
4-16
Pour la fluorescence, il existe une transition entre le scalaire passif et le scalaire actif. Lorsque la pente
est de -5/3, c’est un scalaire passif.
Fréquence pour la partie passive de la fluorescence environ 2.10-2 Hz (s-1) donc T =1/2.10-2 de secondes
soit 1 minute. Avec les mesures à haute fréquence, on a montré qu’en dessous de la minute (échelle de
transition), les fluctuations physiques dominent (les organismes n’ont pas le temps de réagir). Pour les
échelles plus importante, c’est la biologie qui domine (pente qui n’est plus de -5/3).
III.
Turbulence et océanographie physique
1. Simulations numériques directes : modélisation
Absence de solution analytique ou pratique malgré l’équation déterministe.
Utilisation du numérique (ordinateurs)
Simulations Numériques Directes pour simuler 1 réalisation
Même statut que l’expérimental: données à analyser
Permet de connaître l’ensemble des valeurs instantanées de l’écoulement
Mais problème: nombre de Reynolds faible
1.
2.
On peut faire une grille (cubes de petite taille par rapport au milieu étudié). Chaque élément de fluide
est représenté par ce cube. Si la turbulence a un effet jusqu’à un mm, les éléments de fluide auront une
taille choisie de 1mm3. La maille peut être régulière (1) ou irrégulière (2). Il faut ensuite appliquer les
équations de Navier-Stokes sur chaque petit cube : ce sont des simulations numériques directes. En
pratique, on ne peut pas prédire ce qu’on obtient mais le résultat de cette simulation numérique sera à
priori la vérité. On a des résultats qui ont une vérité expérimentale. On peut retrouver chaque
information grâce au modèle. La limite est le nombre de Reynolds faible puisque la maille doit être de
4-17
taille 1mm (pas possible en pratique car demande trop de puissance de calcul). Dès que l’écoulement
est complexe (Re plus grand car rapport d’échelle plus grand), il est impossible à modéliser car le
nombre de maille est trop grand. Pour les nombres de Reynolds limités (jusqu’à 10000 en pratique).
On doit discrétiser : la dérivée partielle est transformée en une différence (approximation) divisée par la
taille du maillage. De proche en proche, on obtient l’ensemble des valeurs moyennes qui obéissent à
l’équation de Navier-Stockes.
La puissance des ordinateurs augmente de manière exponentielle. La puissance d’un ordinateur se
mesure en mégaflops (floating point units) → nombre d’opération par seconde. Tous les 10 ans, on
multiplie par 500 la puissance des ordinateurs. Cette question peut être quantifiée : le temps de calcul
est proportionnel au rapport d’échelle ^4 et au nombre de Reynolds (^3). Donc si on ajout 1 Reynolds,
le temps de calcul est multiplié par 1000. Actuellement, il faut 10 jours pour calculer un écoulement de
25 000 Reynolds. Si on garde la même croissance pour les puissances d’ordinateurs, on pourrait
atteindre 109 en 2050.
La simulation numérique directe est donc valable
pour l’instant pour les écoulements simples.
Pour pallier la limitation numérique, il existe les
modèles.
2. Modèle de turbulence
Il faut choisir d’autres approches pour réduire le
temps de calcul :
Augmentation de la taille de la maille
Moyenner le problème sur les boites
Quelle est la taille de la maille ?
En environnement, les mailles utilisées en modélisation sont de l’ordre du km (facteur de 1
million entre la maille de 1mm et de 1 km). Il faudrait en réalité 1million² de carré pour avoir
l’équivalent d’une face de ce cube de 1 km).
Temps de calcul lié au rapport d’échelle donc on diminue le rapport d’échelle pour avoir un temps de
calcul abordable par les ordinateurs.
Problème : non linéarité des équations
La dynamique de la moyenne (modèle) n’est pas égale à la moyenne de la dynamique (réel).
Démonstration :
est un terme linéaire
est quadratique (non linéaire)
Pour le résoudre, on fait la moyenne : on regarde
Alors que
4-18
Pour la variance
Donc dès qu’il y a des fluctuations, les deux termes ne sont pas les mêmes (variances différente de 0).
→ la dynamique de la moyenne (modèle) n’est pas égale à la moyenne de la dynamique (ce qu’on
observe).
Appliqué à Navier-Stokes
On moyenne sur une droite et on regarde le résultat de Navier-Stockes de la moyenne : un terme
apparait : il provient de la non linéarité des équations = le flux n’est pas estimable à grande échelle.
Les flux et leur importance
Combien de particule passent à travers une surface fictive par unnité de temps . ils sont définit à microéchelle : c’est ce qui pose problème dans la non linéarité des équations.
Quantifie ce qui passe à travers une surface
Difficile à mesurer
Très fluctuant
Important pour les modélisations
Mais problématique
Fermeture classique simpliste
Le terme fermeture est utilisé pour décrire l’essai d’émission d’hypothèses pour modéliser le flux
manquant.
Réalité observable : moyenne de dynamique
Modèle : dynamique de moyenne
→ différence entre les deux provient des fluctuations à petites échelles. C’est ce flux qu’il faut
modéliser.
Comment trouver la valeur du terme manquant ? il est modéliser comme une fonction de la moyenne
F(moyenne) → c’est une hypothèse en générale fausse, ou plutôt incomplète. Quand on fait les
modèles, on applique une théorie mais l’hypothèse est ‘fausse’, donc il perd de son universalité.
Aspects positifs des modèles de viscosité turbulente
Ils ont le mérite d’exister et de fonctionner. Ils fournissent des simulations en un temps de calcul
raisonnable. Ils fournissent quelquefois des solutions approximativement bonnes. Leurs faiblesses ne
sont détectables que pour le spécialiste. Aspect “boite noire”: confortable d’avoir une réalité virtuelle
pour des prédictions (bons pour les politiques).
4-19
Aspects négatifs des modèles de viscosité turbulente
Hypothèse de fermeture fausse. De très nombreux paramètres arbitraires. Souvent considérés par leurs
concepteurs comme très bons; considérés trop légèrement comme “validés”. Présentés à tort comme
des “solveurs Navier Stokes” (grossière erreur, car il faudrait que la maille soit de 1mm). Bref: modèles
mauvais mais très répandus…
3. Expérimental, théories et modèles
Si simulation de théorie (ex: simulation directe d’équations théoriques)
o Même place que l’expérimental
o Représente “le réel” dans la structure logique
Si basé sur un modèle
o Hypothèses (drastiques et simplistes)
o Alors la simulation numérique a le même statut que le modèle
o Sa validité est subordonnée aux hypothèses du modèle
o Ne représente pas le réel
o Ne remplace pas le réel
4. Mesure de la turbulence et des scalaires
1. Mesures à micro-échelle
2. Effet Doppler et vitesse : quand on envoie une onde vers une particule, elle est réfléchit et
revient. Si la particule est immobile, la longueur d’onde reste la même. Si la particule est en
mouvement, il y a une relation entre la longueur d’onde de réception et la vitesse de retour de
l’onde. On ne mesure que la composante qui est dans la direction d’émission de l’onde. Il faut
donc au moins 3 transduceurs pour mesurer une vitesse (car la vitesse est en 3 directions). À
partir du ADV, on peut retrouver le vecteur vitesse (retranscrit dans un repère orthonormé via
un calcul matriciel). Pour fonctionner, il faut qu’il y ait des particules dans le volume exploré →
fonctionne dans l’océan, mais pas dans l’eau pure. Système convergent
3. ADCP : même principe que ADV mais en divergent : on peut donc mesurer les vecteurs
vitesses sur beaucoup de point sur le trajet de l’onde. Le vecteur vitesse est donné pour le centre
(au milieu des 3 lancements d’onde). On a donc les 3 composantes vecteurs au niveau du centre
sur une droite pouvant contenir jusqu’à 1000 points. 100 mesures par seconde * 1000 point * 3
(3 transduceurs).
4. Capteurs pour les scalaires
4-20
o CTD (semi scalaire-physique) qui mesure au minimum 1 mesure / seconde
o Capteur micro-échelle de salinité, fluorescence, oxygène dissous (passif et actif),
concentration particulaire, turbidité, certain sels nutritifs.
5. Points fixes (Eulérien) ou advection (Lagrangien)
IV.
Turbulence er océanologie biologique
La plupart des organismes pélagiques ne touchent pas le fond, donc ils ont des comportements et des
adaptations qui leur permettent de rester en suspension.
L’influence de la physique sur la biologie marine est diverse mais se caractérise principalement par :
température ; lumière ; turbulence
“There is no life without water and there is no life in water without turbulence”
La turbulence est parfaitement liée avec l’apparition de la vie.
1.
2.
3.
4.
In situ – mesures en Lagrangien ou en Eulérien
En laboratoire: turbulence et chimie, mésocosmes
Taux de rencontre (prédateur -proie ; reproduction)
Comportement de copépodes
1. Mesure in situ lagrangienne et eulérienne
a. Turbulence eulérienne
Mesure satellite = mesure eulérienne :
Distribution hétérogènes (bactéries, sels nutritifs, phytoplancton, zooplancton)
Mesure eulérienne en points fixe comme MAREL
Avoir accès aux champs, c’est-à-dire mesurer les quantités, regarder leur hétérogénéité, regarder les
couplages entres ces entités, regarder si ce sont des scalaires actifs, passifs et d’autres choses pour
expliquer la répartition.
Système MAREL :
Dans le domaine de l’environnement, c’est de la haute fréquence alors que ce n’est pas de la haute
fréquence pour les mesures de turbulence. Avec 10 minutes de résolution, on est quand même toujours
dans la zone de résolution de la grande turbulence.
Quand on fait une analyse spectrale pour la température :
Fond turbulent (aléatoire structuré) et deux périodicités 12 et 24h
correspondant à la marée et au cycle jour/nuit. La turbulence
apporte de l’aléatoire structuré. Le déterminisme correspond lui aux
cycles.
Sur des séries plus longues, on peut également voir les pics annuels.
pH :
4-21
En quelques jours, on peut avoir une évolution de 0,5° de pH.
L’analyse spectrale permet de voir si c’est un scalaire passif ou
actif. Parfois, le pH et la température sont différents. Donc le
pH peut être à la fois passif et actif. Il peut être actif quand la
chimie ou la biologie s’en mêle. En effet, quand il y a de l’O2
relargué, il peut se combiner avec des H du milieu pour former
H3O+ et diminue alors le pH.
b.
Turbulence lagrangienne
On cherche à caractériser les fluctuations via les vitesses de dérives d’une bouée dans sa masse d’eau.
On représente les vitesses en fonction d’epsilon et du temps. Approche analogue à K41, mais dans un
cadre lagrangien.
Espace
Spectral
Eulerien
K41 deltaV=epsilon1/3.l^1/3
Ev(k)=epsilon^2/3.k-5/3
Lagrangien
LANDEAU44
Ev(f)=epsilon.f-2
Delta v t = epsilon^1/2 * t ^1/2
Inoue pour les scalaires passifs 1952:
Exemple :
Bateau à la dérive : emporté par les courants = lagrangien
4-22
Ce ne sont que les gros tourbillons qui vont pouvoir influencer le bateau. Le bateau fait un filtre entre
lagrangien (BF) et eulérien (HF), grâce à des périodes d’échantillonnage différentes : l’inertie du bateau
fait qu’il y a des transitions entre mesures eulérienne et lagrangienne.
Turbulence lagrangienne en laboratoire : on retrace les trajectoires de petites particules mise dans un
système turbulent via des lasers.
2. Phytoplancton
Quelle est l’influence de la turbulence sur le phytoplancton ? en général, fort impact :
6. Les nutriments correspondent à des organismes morts qui sédimentent : donc nutriments plutôt
dans le fond
7. Phyto = pélagique
8. Besoin de turbulence pour ramener les éléments nutritifs en surface
Pour certaines espèces lourdes, sédimentations, besoin de remise en suspension pour être proche de la
lumière. D’un autre côté, le phytoplancton peut aussi être emmené vers le fond.
c. ‘Mandala’ de Margalef
Tentative théorique d’établir une relation entre la turbulence et les types biologiques du phytoplancton.
Schéma général qui montre deux stratégies différentes :
9. flagelle et capacité de nage
10. pas de flagelle
Turbulence :
11. forte turbulence : plutôt diatomées, avec beaucoup de nutriments
12. faible turbulence : plutôt dinoflagellés, avec peu de nutriments
3. Zooplancton
Problématique du taux de rencontre. Le taux de rencontre est important dans 2 contextes :
13. Zooplancon rencontre phytoplancton
14. Mâle rencontre femelle
15. Zooplancton en tant que proie
Quelles sont les possibilités d’avoir un taux de rencontre dans un volume donné (noyau qui est définit
par le volume et le temps).
Prédateur = zone de contact, il a des sens qui lui donne une zone de contact (en dessous d’une certaine
zone). Il a une vitesse de nage, donc il scanne un volume qui a la forme d’un cylindre, et on peut
mesurer quel est le volume de ce cylindre.
4 situations :
1. Prédateur mobile proie immobile pas de turbulence
4-23
La hauteur (ou longueur) du cylindre est proportionnelle à la vitesse du prédateur. Avec Z le
taux de contact larve-proie
2. Prédateur et proie mobile et pas de turbulence
3. Prédateur mobile proie immobile + turbulence
Avec W une fluctuation moyenne de la turbulence
4. Prédateur et proie immobile et + turbulence
C’est le gradient de vitesse à l’échelle de la rencontre qui est déterminant.
Test des modèles par expérimentation :
On acclimate le zooplancton quelques jours, puis on les fait jeuner. On ajoute la nourriture et la
turbulence
-
Contrôle de la nourriture
Turbulence variable
Estimation du taux d’ingestion (en ouvrant le copépode)
Pourquoi les copépodes ont-ils cette taille ?
1. Transition entre le milieu turbulent et visqueux : les copépodes ont une taille de 0,1 à 1 mm, ce
qui est du même ordre que l’échelle de Kolmogorov. Si on introduit le nombre de Reynolds
particulaires, on remarque que le copépode induit, en fonction de sa vitesse de nage, sont à la
transition entre milieu visqueux et turbulent.
2. Concentration préférentielle : on se place dans un contexte de turbulence homogène isotrope et
on regarde les particules en suspension dans ce milieu. Dans ce cadre, le nombre de Stokes a été
introduit (caractérise la particule dans son environnement) : rapport entre le temps d’inertie de
la particule et le temps de Kolmogorov.
Beta vaut 1 si la particule a la même densité que l’eau. Si st est très petit, la particule suit les
mouvements (c’est un traceur). Si St est très grand, la turbulence a du mal à l’influencer. Entre
les deux, pour St intermédiaire, certaines turbulence vont influencer la particule et d’autres non
(dépend de l’intensité de la turbulence). Pour modifier le nombre de stokes, on peut jouer sur la
taille des particules ou sur la densité. On peut aussi contrôler via le nombre de Reynolds car si
re grand, eta petit et on change par relation le nombre de Stokes.
o DNS (simulation numérique directe). En vert, c’est la vorticité (endroit où forte
rotation). En gris, particules. Quand il y a des fortes rotations, pas de gris → quand forte
4-24
rotation, pas de particule donc les forts tourbillons éjectent les particules → crée la
concentration préférentielle = patch.
o Expérimental : St = 40 avec point bien réparti ; pour St = 0,7, les points sont très
concentrés = concentration préférentielle !
o DNS : plus on augmente le nombre de Stokes, plus les patchs sont bien formés.
Applications : réacteurs, sprays, nuages (turbulence dans le nuage peut générer le processus de
précipitation), copépodes
On peut changer l’expression du taux de rencontre dans le cas où des patchs se forment à cause de la
turbulence. Le pré-facteur Sigma peut être estimé et dépend du nombre de Stokes. Il est plus grand
quand le nombre de Stokes est proche de 1. Facteur g entre 10 et 100 pour des nombres de Stokes
proche de 1.
Le copépode est légèrement plus lourd que l’eau, donc son rapport de densité (ß) vaut environ 1,03. On
ne peut pas jouer sur ce paramètre pour modifier le nombre de Stokes, donc on va modifier la taille de
la particule (σ). Il faut une taille 6 fois plus grande que l’échelle de Kolmogorov pour avoir l’effet de
concentration préférentielle.
Nombre de Stokes optimal pour les copépodes
Le taux de turbulence optimal dépend de la taille du copépode.
4-25
Partie 5.
Optique marine
[email protected]
I.
Généralités
La couleur de l’eau peut être définie de manière simple comme la réflexion du ciel sur
l’océan. La couleur peut varier du bleu au marron foncé, en passant par différents verts,
caractérisant différents types d’eau.
Le spectre solaire est fortement modifié quand il pénètre dans la colonne d’eau, ce qui donne
la couleur à l’eau, en interagissant avec les particules. L’eau pure a un effet majeur sur la
propagation de la lumière dans le milieu marin et atténue principalement les fortes longueurs
d’onde (rouge). Il y a d’autres agents dissous ou particulaires qui ont des effets spectraux
spécifiques, que l’on peut donc quantifier.
Absorbée
Lumière
solaire
Réfléchie
L’eau de mer a une absorption faible dans le bleu, puis une très forte absorption dans le rouge.
Chaque constituant de l’eau possédant des propriétés optiques peut influer sur sa couleur :
5. Eau = faible absorption dans le bleu (et donc forte diffusion) ce qui explique la
couleur bleu des eaux ‘pures’ (faible quantité en phytoplancton)
6. Phytoplancton : spectre relativement plat avec pic autour de 440 et 670 nm
La quantité de phytoplancton détermine donc en partie la couleur de l’eau.
7. Sédiment : donne une couleur plutôt marron
5-1
Les facteurs qui influencent la couleur de l’eau :
Eau pure elle-même
Phytoplancton et ses pigments
La matière organique dissoute (CDOM, ou substance jaune) provenant de la
dégradation de la matière végétale issue des écosystèmes terrestres ou marins
Matières particulaires en suspension
o Organique (issus de la dégradation)
o Inorganique (sable ou poussière) qui sont issus de l’érosion terrestre (dépôt
fluvial, via le vent, ou par remise en suspension → upwelling)
Les eaux les plus claires absorbent la lumière dans le rouge et diffusent la lumière bleu
(longueur d’onde les plus courte) → couleur bleu / turquoise.
Le phytoplancton contient des pigments tels que la chlorophylle et autres pigments
accessoires qui absorbent à d’autres longueurs d’onde et contribuent à la couleur verte des
océans.
Dans les eaux côtières, la MES inorganique (issue de l’érosion) rétrodiffuse la lumière
contribuant au vert, jaune et brun → couleur brunâtre de l’eau.
Les agents qui agissent optiquement sur la lumière donnent une information sur ce que
contient l’eau, permettant d’établir une classification des eaux en fonction de ses composants
via les propriétés optiques. La couleur de l’océan peut être mesurée sur la base du spectre
visible émis depuis la surface de l’océan. Plus la concentration en autres particules que l’eau
augmente, plus la diffusion des longueurs d’onde faible (bleu) diminue (on a une proportion
d’absorption et de diffusion, si une augmente, l’autre diminue). On regarde la contribution
dans les différentes longueurs d’onde pour savoir quelle est la couleur de l’eau, et quels sont
ses constituants.
Ce spectre de lumière émis (réflectance) est relié aux constituants océaniques mais aussi aux
propriétés de diffusion et d’absorption de l’océan.
Où
est la réflectance
G est un paramètre qui dépend de l’éclairement incident.
est la diffusion
est l’absorption
En partant de la couleur de l’océan
, on peut avoir accès, grâce à des modèles inverses,
aux constituants océaniques (CDOM, phytoplancton, sédiments etc.). On peut également
établir la relation entre les propriétés optiques inhérentes (absorption et rétrodiffusion) et les
constituants. La réflectance marine
n’est pas le produit final, il donne juste une
indication de la constitution mais son estimation conditionne les produits finaux de la couleur
de l’eau. Plus la réflectance estimée sera proche de la réalité, plus les produits finaux, issus
5-2
d’algorithmes, seront proche de la réalité. Les produits finaux sont par exemple :
concentration en chlorophylle.
Classification des eaux marines
Eaux du cas 1
Eaux du large : influence des pigments phytoplanctoniques prédominent alors que celles des
autres agents optiquement actifs co-varie directement avec la quantité de phytoplancton
présente dans l’eau. Ne sont pas affectée par les influences de la côte ou du fond. Représente
environ 95% des eaux mondiales. Déterminée par les propriétés optiques de l’eau de mer
d’une part et celles du phytoplancton et de l’ensemble de ces produits associés. On estime
pour ces eaux que les propriétés optiques (coefficient d’absorption et de diffusion) sont en
général indexé sur la concentration en chlorophylle a (pigment commun à tous les organismes
photosynthétiques marins et le plus fréquemment mesuré).
5-3
Eaux du cas 2
Eaux côtières : ce qui ne fait pas partie du cas 1. Les substances optiquement significatives
non phytoplanctoniques ne co-varie pas avec la chlorophylle a et sont généralement
dominants. Multitude de possibilité dans le spectre de réflectance (et donc de couleur), associé
à des combinaisons des constituants très variables. (Antoine et al 1998)
Complexité des applications de la couleur de l’eau dans ces milieux optiquement dynamique
et complexes. Mais for intérêt (activités économiques, vulnérabilité, importance dans les
cycles biogéochimiques globaux…)
Intérêts de l’étude de la couleur de l’eau
Les microalgues marines représentent 50% de la biomasse terrestre. Le phytoplancton
représente également le premier élément du réseau alimentaire marin, par sa position de
producteur primaire. De plus, on sait que les principales régions de pêches mondiales sont
situées dans les régions fortement productives en phytoplancton. Ainsi, quantifier le
phytoplancton permet de mieux comprendre le cycle du carbone afin de connaitre aussi le
devenir du CO2 atmosphérique → rôle de pompe biologique du phytoplancton.
II.
Les propriétés optiques du milieu marin
1. Généralités
IOP : inherent optical properties. Elles sont inhérentes car elles dépendent uniquement de la
composition du milieu et pas des conditions d’éclairement (soleil à 0 ou 60° = même IOPs).
Ces IOPs sont additives (simplifie le travail pour les déterminer). Les deux quantités
principalement déterminée dans le cadre de la détermination des IOPs sont :
Absorption (a) en m-1
Indicatrice de diffusion (ß) en m-1.sr-1
5-4
La lumière est composée de photon qui va interagir avec la matière :
SCHEMA1
On a une conservation de l’énergie :
On définit deux quantités dans les propriétés optiques inhérentes :
-
L’absorbance
: fraction du flux incident qui est absorbé par le volume d’eau
La diffusance
: part du flux incident diffusée dans toutes les directions (sauf la
lumière qui est transmise).
Permettant de définit des coefficients qui sont les propriétés optiques inhérentes :
-
-
-
-
Coefficient d’absorption : représente l’absorbance par unité de distance dans le
milieu. C’est l’absorbance d’une couche infiniment mince d’un milieu positionné
perpendiculairement au rayon incident, divisé par l’épaisseur de la couche.
Coefficient de diffusion : diffusance par unité de distance dans le milieu
Si
se rapproche de 0, on a
Ne donne pas comment la lumière est diffusée (angle), au contraire de l’indicatrice de
diffusion.
Atténuation totale (c) :
Indicatrice de diffusion (coefficient angulaire de diffusion) : intensité radiative
émise par un élément de volume
dans une direction donnée par unité
d’éclairement arrivant sur la section efficace et par unité de volume.
C’est une mesure compliquée à déterminer.
Pourquoi étudier les IOPs ?
Sert de contrôle de la propagation de la lumière dans l’eau (production primaire,
visibilité, impact des UV, relation de prédation, migration verticale etc.)
Modifie le bilan thermique de la colonne d’eau : la lumière se propage plus
profondément quand il y a peu de particule, ce qui réchauffe l’ensemble de la colonne
d’eau. Si beaucoup de phytoplancton par exemple, moins de lumière au fond et donc
stratification thermique.
Proxy de paramètres biogéochimique (Chl, CDOM, POC, PIC, taille, détritique,
minéral/organique, certaines espèces de phytoplancton etc.)
Peuvent être mesurés à haute fréquence et de façon continue (études de processus)
5-5
Peuvent être estimées à partir de l’espace (accès à de grandes échelles spatiotemporelles permettant d’appréhender des études globales sur de longues périodes de
temps)
Agents optiquement significatifs :
-
Eaux de mer pures
Particules (phytoplancton, bactéries, détritus, particules minérales)
Matières dissoutes (CDOM)
Bulles d’air
À partir du coefficient d’absorption et de l’indicatrice de diffusion ß, on connait tout sur la
manière dont la lumière se propage. On peut aussi obtenir d’autres IOPs :
-
Coefficient de diffusion totale : intégrale (car toutes les directions) de l’indicatrice de
diffusion en fonction de toutes les valeurs d’angle possibles.
Il y a très souvent une diffusion vers l’avant et une vers l’arrière
La diffusion totale est la somme de la diffusion vers l’avant ( ) et l’arrière ( ).
Principe d’additivité car les IOPs dépendent exclusivement des conditions du milieu.
L’absorption totale est donc :
NAP = particules non algale (détritus) ; w pour water ; cdom pour les matières dissoutes
colorées et ph pour le phytoplancton
La diffusion totale
P → particulaire (n’importe quelle particule car il est difficile de déterminer la part de chaque
agent optiquement actif sur la diffusion) et w pour l’eau
La rétrodiffusion : quantité de lumière renvoyée (diffusée en arrière)
Ces IOPs dépendent de la composition, morphologie (forme et taille) et concentration
des substances dissoutes et particulaires. La taille influe sur la manière dont la lumière est
diffusée : des particules de tailles et formes différentes, dans un même volume entraine des
coefficients d’abs et de diffusion différents (même taille et formes différentes ou même forme
et tailles différentes).
2. Eau pure
L’eau de mer intervient par diffusion et absorption. La température et la salinité ont un impact
sur l’absorption et la diffusion de l’eau pure.
5-6
a. Indicatrice de diffusion
La diffusion moléculaire dans l’eau de mer (Théorie d’Einstein- Smoluchowski) : la
diffusion dans l’eau est possible grâce aux fluctuations de densité du milieu.
Morel, 1974
Où p est le facteur de polarisation des molécules
Fort impact de la salinité de l’ordre de 30%. Quelle que soit la longueur d’onde, on a une
symétrie par rapport à 90°. S’il y a une parfaite symétrie, c’est que la diffusion vers l’avant et
vers l’arrière sont égales. Cela explique pourquoi les eaux de mer les plus pures ont une
couleur indigo tirant sur l’indigo/violet.
b.
Absorption
Les valeurs publiées sont continuellement révisées (car la mesure est difficile). Le spectre
d’absorption de l’eau de mer pure n’est pas aussi régulier que le spectre de diffusion.
Faible absorption et forte diffusion dans le bleu
Faible diffusion et forte absorption dans le rouge
Exemples
Comparaisons théoriques
Bonne concordance entre les auteurs dans les grandes longueurs d’onde. Plus on va vers le
bleu et l’UV, plus il y a une variabilité dans les résultats → difficulté de l’obtention
expérimentale du coefficient d’absorption.
Campagne Biosope
Pacifique sud : encore des grandes différences de mesures dans l’UV, avec une bonne
concordance dans le visible.
5-7
3. Phytoplancton
a. Absorption
Le spectre d’absorption du phytoplancton résulte :
De la superposition du spectre d’absorption des pigments qui le compose
De sa taille et forme, la profondeur considérée
Effet de package ou de discrétisation (provoqué par les variations de taille et forme)
qui influent sur les propriétés d’absorption
Forte absorption de la lumière visible à cause de la photosynthèse
b.
Pigments
Quelques pigments :
-
Chlorophylle a (deux pics : 443 et 675 nm) commun à tous les organismes
phytoplanctoniques.
Caroténoïdes (450 et 500 nm) en proportion variable / relative est responsable du
changement de la couleur bleu vert des eaux oligotrophes aux eaux eutrophes.
Chlorophylle c (465 et 635 nm → beaucoup moins prononcé)
Grande diversité dans la forme et la taille : propriétés d’absorption et de diffusion différentes.
Suivant l’espèce considérée (et la profondeur) : forme et taille (de 2µm et 200µm). Si on
prend la même espèce avec la même forme en colonie ou non, elles n’auront pas le même
coefficient d’absorption et diffusion.
c.
Absorption spécifique du phytoplancton
On normalise par un indice de concentration pour le constituant d’intérêt (généralement la
chlorophylle a, mais aussi le contenu en carbone ou la masse). Il permet de comprendre et
prédire la variabilité optique. On sait que la masse totale des constituants est la source de
premier ordre de la variabilité dans les valeurs absolues des propriétés optiques inhérentes
(c’est pourquoi on normalise). On s’affranchit de la plus grande source de variabilité. Ces
coefficients spécifiques sont donc moins variables que les absolus. On obtient une variabilité
résiduelle (de deuxième ordre) qui elle est due aux différences dans les caractéristiques du
matériel :
-
Changement dans la composition de l’espèce
Changement dans la composition chimique
On voit que le spectre moyen des 14 espèces, on voit que le coefficient d’absorption
spécifique est dévié selon les espèces du spectre moyen. Si on peut mesurer in situ ce
coefficient d’absorption spécifique, on peut avoir une idée sur ce qui a dans l’eau (exemple :
Synechococcus qui a un spectre spécifique d’absorption est très éloigné du spectre moyen).
5-8
d.
Effet package (ou de discrétisation)
Au cours de l’évolution, le phytoplancton change et on voit l’impact de sa dégradation sur le
spectre d’absorption. Le spectre d’absorption a tendance à s’aplatir.
D’où vient la variabilité ?
-
Concentration interne en pigment ?
Effet de discrétisation ? taille et forme
Variation du coefficient
en fonction de la [totale
en chla] pour des eaux
très différentes (10ene de
campagne)
On a globalement une
bonne relation moyenne
entre la concentration en
chlorophylle et la valeur
du coefficient d’absorption
à 440 nm. Cette relation a
été mise à jour en 2004.
Par rapport à 1995, on a une déviation de la régression dans les eaux le plus riches. On voit
qu’il existe quand même des variations à la loi moyenne. (Exemple : les violets qui sont tous
sous la courbe).
L’influence de la concentration en pigment et de l’effet de discrétisation (deux sources
primaires de la variabilité de l’absorption algale) pour une valeur de Chl a donnée ont été
séparée dans l’étude de deux façons :
-
la composition en pigment montre de larges variations mais n’est pas la source
dominant du bruit biologique
les déviations aux relations moyennes résultent de l’effet de discrétisation à cause de
variation de structure en taille des communautés algales.
On peut quantifier cet effet de discrétisation :
Q est un proxy de l’effet de discrétisation. C’est le rapport entre le coefficient d’absorption du
phytoplancton (échantillons réels) sur une valeur théorique obtenue en laboratoire (en utilisant
des solvants). Ce rapport donne la quantité de discrétisation des cellules. Quand
,
l’effet de discrétisation est maximal alors que
, pas d’effet de discrétisation.
On peut comparer cet index à d’autres paramètres :
5-9
-
concentration totale en chlorophylle a pour comprendre ce qui impact la variabilité de
second ordre. Dans les eaux les plus riches, Q est le plus faible donc l’effet de
discrétisation est maximal. Par rapport à la taille, on voit que ca correspond aux
indices de taille les plus forts. Pour les eaux le Q est fort, donc l’effet de discrétisation
est faible, voire nul et cela correspond aux cellules les plus petites.
L’index de taille et de discrétisation varie de façon consistante :
-
l’échantillon d’indice de taille ‘petit’ correspond à des valeurs fortes de Q → pas
d’effet de discrétisation
l’échantillon d’indice de taille ‘grand’ correspond à des faibles valeurs de Q → effet
de discrétisation
La structure en taille est donc le facteur prédominant. Cette covariation générale est bien
observée mais il existe des déviations. On observe que les valeurs obtenues pour la campagne
PROSOP (upwelling) ont des valeurs presque maximale d’indice de taille (100%
microplancton) alors que dans la campagne BENCAL, plus grande variabilité. Dans les eaux
mésotrophe (0,3 à 1 mg/m3), pour la campagne TOMOFRONT et ALMOFRONT 2, Les
indices de tailles ont des valeurs moyennes plus fortes que celle d’autres campagnes dans le
même type d’eau. Dans les eaux de surface, les tailles des cellules peuvent varier
significativement pour une concentration en Chl a donnée.
On peut aussi regarder le coefficient d’absorption spécifique en fonction de la concentration
en Chl a totale pour les mêmes campagnes : puisque
donne la variabilité résiduelle :
-
-
-
Eutrophes (Campagnes BENCAL et PROSOP up) : on conclut que les différences en
composition pigmentaires et structure de taille proviennent de la combinaison de leur
effet et explique aussi la différence entre les régions.
Intermédiaires (ALMOFRONT 2 et TOMOFRONT qui ont des indices de taille plus
élevé) : pour ces deux campagnes, la variabilité dans le coefficient d’absorption du
phytoplancton à 440 pour une concentration totale chl a donné est au premier ordre
influencé par les variations dans la structure en taille des populations algales. La
composition pigmentaire a un effet réduit.
Oligotrophes : la structure en taille apparait avoir une influence dominante sur les
variations du coefficient d’absorption du phytoplancton.
Suivant les régions, les déviations aux lois moyennes supposent que l’on a des variations dues
aux régions et aux saisons.
5-10
4. Absorption des particules non-algales ANAP
Au phytoplancton s’associe un cortège de particules non algales :
-
Détritus directement produit par le phytoplancton et autres organismes
Bactéries
Autres organismes hétérotrophes : plutôt transparents donc ils ont en général peu
d’importance dans les processus d’absorption.
→ Particules minérales d’origine biogène ou terrestres
On peut donc exprimer de manière non linéaire en fonction de la Chl a :
Avec S la pente de valeur moyenne -0,011 mais
cette pente peut varier très fortement entre 6.10-3 et -0,13 m-1. En général,
est celui à
440 nm (longueur d’onde de référence). Le
spectre du coefficient d’absorption des
particules non algales suit une loi
exponentielle.
De façon opérationnelle, les NAP sont définit
comme le matériel particulaire qui n’est pas
extrait par le méthanol (suivant méthode de
Kishino et al., 1985).
5. Absorption de la matière dissoute colorée (CDOM)
-
Substances jaunes
Matières colorées dissoutes (CDOM)
Elle ajoute une contribution supplémentaire au coefficient total d’absorption. On définit la
substance jaune comme le matériel qui passe à travers un filtre de taille 0,2 mm. Cette fraction
inclue :
-
Substances organiques (UV + visible)
Sels inorganiques (UV)
Ils présentent des pics d’absorption dans la partie ultraviolette du spectre. La partie visible du
spectre d’absorption est dominée par la fraction organique d’où le terme ‘CDOM’ → contient
du carbone, de l’hydrogène, et d’origine biologique. S’il contient du carbone, le CDOM va
être un traceur utile du carbone mais peut aussi être utilisé comme proxy de mélange.
Le CDOM est utile dans l’étude des zones côtières et en dessous de la couche euphotique,
étant donné qu’il est un traceur des apports de rivières et permet de distinguer les polluants
dans l’effluent.
De par sa structure et poids moléculaire (généralement élevé), on a un spectre d’absorption
qui varie de manière exponentielle avec la longueur d’onde.
5-11
La pente moyenne S’ est plus forte avec S’=0,014. Cette décroissance exponentielle
s’explique par le fait que le CDOM est une mixture complète de plusieurs composants, qui
ont des spectres d’absorption définis, qui se superposent sans qu’aucun des composants soit
dominant (d’où la forme exponentielle décroissante continue). La pente de cette relation varie
fortement entre 0,07 et 0,026 m-1.
La différence de pente donne des informations : indication de l’origine du CDOM
-
Forte pente : généralement CDOM dominé par les acides fulviques (terrestre)
Faible pente : généralement CDOM dominé par l’acide humique (marine)
Très forte variabilité de la pente (plus forte que pour ANAP), même pour une région donnée,
cette valeur est difficilement généralisable → dû à la grande variabilité des concentrations de
CDOM. Bien qu’elle soit difficilement généralisable (valeur de pente), elle sert à montrer des
valeurs représentatives et l’intervalle d’influence du CDOM dans la détermination du
coefficient d’absorption totale.
6. Indicatrice de diffusion
Très peu d’information spectrale : on utilise encore l’indicatrice de diffusion de Petzold 1972.
On considère le
comme un seul ensemble car il est difficile de séparer la contribution de
chaque constituants dans la mesure du coefficient. Il y a une très forte diffusion vers l’avant
d’origine particulaire. Plus l’angle de diffusion augmente (>90°), plus la variabilité est
grande. Les molécules marines, que l’on considère ronde, donne une diffusion vers l’avant
très majoritaire. À 90°, les valeurs sont peu variables. La forte variabilité de la diffusion
arrière est due aux petites particules.
On connait de manière théorique la propagation de la lumière dans un milieu, notamment pour
les particules sphériques (théorie de Mie). Les mesures effectuées suivent très bien la théorie
de Mie. Pour la diffusion avant, l’indicatrice de diffusion est identique pour toutes les
longueurs d’onde. À partir de 80°, il y a une certaine variabilité pour chaque longueur d’onde.
C’est-à-dire que la diffusion vers l’avant est ‘longueur d’onde dépendante’ et pas la diffusion
arrière.
C’est pour cela qu’on a tendance à utiliser le coefficient de diffusion b(lambda).
Eau de mer pure
Pour l’eau de mer, la diffusion dans le bleu est forte et il y a une décroissance continue avec la
longueur d’onde.
Diffusion particulaire
Généralement les valeurs du coefficient de diffusion du phytoplancton sont faibles par rapport
aux autres agents optiquement actifs, à l’exception des coccolithophoridés (forte diffusion
dans le bleu, visible à l’œil nu).
5-12
Avec n l’exposant d’Angström. n varie entre 0 et -3. N=0 : grosse particule et plus n décroit et
plus les particules sont petites. Cette dépendance spectrale peut être affectée par l’absorption
et n est dépendant de la taille des particules.
Rapport de coefficient de diffusion :
<bb> = valeur moyenne. On regarde le spectre d’absorption de diffusion particulaire par
rapport à cette moyenne, ce qui permet de se détacher de la dépendance spectrale, permettant
de regarder la variabilité de second ordre. Il y a des caractéristiques communes entre les eaux
du large et côtière : ces spectres se croisent vers 550nm (d’où la formule).
On a deux pics minimaux à 440 nm (pics de chlorophylle) et un autre à 670
(chlorophylle). Les deux pics minimaux correspondent aux pics d’absorption
de la chlorophylle a dans toutes les courbes.
Côtière. Spectre plus plat et moins structuré : la variabilité est moins grande.
On peut donc, à partir du spectre de diffusion, on peut déjà connaitre dans quel type d’eau on
se trouve (cas 1 ou 2).
Coefficient d’Angstrom
Relié à la taille des particules.
Si on estime la dépendance spectrale de Bp, on a accès à la proportion relative entre les petites
et les grosses particules à la surface de l’océan. Cette dépendant spectrale dépend de la
distribution en taille des particules (PSD). Gamma est la pente spectrale
FIGURE
Si on connait la pente de la distribution en taille des particules, on peut dissocier les petites
particules avec les fortes valeurs de la pente spectrale et les petites particules avec des grosses
valeurs de la pente spectrale.
Effet de discrétisation : pigments non distribués uniformément dans le milieu intracellulaire,
mais ils sont sous forme de paquets (package effect) : on a un ‘auto-ombrage’ dans la cellule.
Paramètre qui influence cet effet :
-
Taille des cellules
Concentration intracellulaire en pigments
Gamma est la pente de la dépendance spectrale du coefficient d’atténuation particulaire.
Modèle de distribution en taille des particules (PSD) → ETA ne permet pas de différencier la
taille : on a une sous-estimation des particules.
5-13
III.
Relations entre
biogéochimiques
les
IOPs
et
les
paramètres
1. Diffusion vs chlorophylle
Il existe une relation, même de
grandes dispersions.
Augmentation de l’atténuation en
profondeur. Si plus de particules,
plus de lumière pour se
développer donc augmentation de
l’absorption
et
donc
de
l’atténuation.
Très
bonne
corrélation entre les deux
paramètres.
En profondeur et sur le temps, on a une bonne corrélation entre l’atténuation et les particules.
2. IOPs vs tailles
Profondeur entre 0 et 400m.
Échelle : en haut c’est gamma (pente
de distribution
spectrale du
coefficient d’atténuation particulaire)
et en bas la taille des particules (avec J
exposant de Junge, donnant un indice
sur la taille des particules : plus J est
grand plus les particules sont petites).
On regarde si on trouve des
corrélations sur la profondeur.
Quel que soit le type d’eau, on a une
corrélation entre la pente de la distribution spectrale (=atténuation) et la taille des particules =
les deux paramètres covarient. Si on connait gamma, on peut donc avoir une indication sur la
taille des particules.
On peut aussi estimer le rapport entre la rétrodiffusion particulaire et la diffusion particulaire :
ce rapport est fonction de la disposition en taille des particules et permet de décrire la
variabilité de l’indice de réfraction des particules (n sur le graphique). donne les propriétés
de réfraction intrinsèque du matériau : comme la lumière est diffusée vers l’avant par le
matériau. Ce rapport dépend de la proportion relative des petites et grosses particules. Plus la
proportion de petites particules est élevée, plus le rapport est élevée (en théorie, puisque les
petites particules rétrodiffusent plus).
Les faibles valeurs de sont trouvées dans les eaux dominées par le phytoplancton alors que
pour les fortes valeurs, les eaux sont dominées par les particules minérales. En mesurant le
rapport, on peut savoir dans quel type d’eau on se trouve.
5-14
Rapport rétrodiffusion / diffusion en fonction de la
concentration en chlorophylle a, indicateur de l’état
trophique des eaux de surface (log-linéaire). Les points
représentent les mesures in situ. On compare ses mesures
avec des relations déjà publiées. Relation historique : loi
exponentielle. Les données in situ montre (malgré la
dispersion des données) une tendance à la baisse de
avec l’augmentation de la chlorophylle a. Les mesures in situ sont plus fortes, pour
n’importe quelle concentration en chlorophylle a par rapport aux relations moyennes. Cela
peut être expliqué par une plus forte concentration de particules minérales et de petites
particules.
Comparaison du rapport de rétrodiffusion en fonction du
rapport de la concentration en chlorophylle a /
atténuation. Rapport [chl a]/atténuation à 650 est un
indicateur de la nature de la matière particulaire. Il y a
une tendance négative entre les deux paramètres, avec
une grande dispersion par rapport à la loi moyenne,
restant entre les seuils de deux écarts types.
Plus [chl a]/atténuation à 650 augmente, plus le rapport
de diffusion décroit.
Rapport de diffusion en fonction du rapport
[COP]/[chla]. Ce rapport donne des indications sur la
quantité de matière organique par rapport aux
organismes autotrophes. Tendance positive entre les
deux rapports (avec une grande variabilité). La quantité
de matière organique (vivante ou non) conditionne
significativement la variabilité de la rétrodiffusion.
Rapport de la diffusion en fonction de la pente de la diffusion
spectrale des particules. Les lignes représentent l’indice de
réfraction. Les points correspondent aux mêmes mesures in
situ.
Pour une catégorie de particules caractérisée par un indice de
réfraction de 1,10, on observe que le rapport de la rétrodiffusion
/ diffusion décroit de 50% quand ETA passe de 4 à 3.
On a une covariation entre le rapport de bbp/bp sur rapport
POC/chla et cette covariation suggère que la proportion de particules relativement petites croit
quand ce rapport POC/chla croit.
Faible rapport [POC / [Chl a]
5-15
La pente de la distribution en taille des particules est le facteur principal contrôlant la
variabilité du rapport
dans les eaux où le carbone organique particulaire provient
principalement d’organismes autotrophes (faible POC/chla]).
Fort rapport [POC / [Chl a]
Dans les eaux où le POC provient des organismes hétérotrophes (forte valeur de POC/[chla],
c’est plutôt l’indice de réfraction qui contrôle la variabilité du rapport Bbp/bp.
3. Diffusion particulaire et phytoplanctonique vs chlorophylle
Donne une indication sur l’état trophique des eaux qu’on considère. Que ce soit l’absorption
particulaire ou du phyto, on a une relation très linaire (en log) dispersée autour de plus ou
moins un écart type entre :
Coeff particulaire et chl a (r²=0,9)
Coeff phyto et chl a (r²=0,9)
On a des relations moyennes non linéaire :
Exemple : ap(440)=0,052 chl ^0,64
Ap(550,620)=0,01 chl ^0,85
Exemple : a phy (440) = 0,02 chl ^0,82
Bonne relation moyenne mais les coefficients peuvent changer entre les régions et les saisons.
Globalement Aphy et toujours plus petit que Ap, d’environ 30%. Cette non linéarité exprime
les changements dans la composition pigmentaire et l’effet de discrétisation.
4. Absorption CDOM vs chlorophylle et DOC
CDOM est difficilement expliqué par la
concentration en chlorophylle a et par la
concentration en carbone organique
dissout.
Chla : Il y a une certaine tendance plutôt
linéaire mais ce n’est pas valable entre les
différentes campagnes.
DOC : Les 3 figures représentent DOC en fonction de
5-16
pour différentes régions :
1.
2.
3.
1. Pour différentes saisons (eaux mélangées ou en dessous des eaux mélangées). On a une
relation environ linéaire entre le COD et
.
2. Dès que l’on arrive dans les eaux plus fraiches et moins salées, il y a une forte dispersion à
la loi moyenne du (a).
3. Pour 3 profondeurs différentes, aucune relation.
5. Absorption CDOM vs salinité
Sosik, 2008.
Dans plusieurs eaux côtières, l’absorption du
CDOM peut être comprise en comprenant
l’importance des sources d’eau fraiche. Les
eaux continentales ont une importance énorme
pour expliquer la variabilité de l’absorption de
la matière dissoute colorée.
L’eau fraiche (faible salinité) montrent
globalement des valeurs bien plus forte de
que dans les eaux océaniques. Pour
beaucoup de système, les variations de premier
ordre du coeffec d’abs du CDOM résulte d’un
mélange quasi-conservatif entre l’eau fraiche et
les composants marins.
Quand la salinité ne varie pas (eaux du large),
on ne trouve pas spécialement de relation entre
et salinité. Dès qu’on a un gradient de
salinité, on a une relation exponentielle ou linéaire etc. Au niveau régional, on peut espérer
trouver des relations entre CDOM et salinité, qui vont être différentes selon le système d’eau
(eau fraiche + salée).
IV.
Mise en évidence de processus biogéochimiques
1. La fluorescence de la chlorophylle a
Fluorescence : proxy de la concentration en chlorophylle a dans l’océan. Quand la
chlorophylle est soumise à de la lumière (rayonnement de couleur bleue à 430 nm), la
chlorophylle passe à un état excité. Pour revenir à son état fondamental, elle libère de
l’énergie sous forme de radiations rouges à 685.
5-17
Avantages :
Mesures le long de la colonne d’eau : acquisition de profil quasi-continu en
profondeur (tous les m) via fluorimètre
Fluorimètre peut être placé sur une grappe ou sur un animal pour avoir des mesures
dans les zones difficilement échantillonnables (HF, augmentation de la résolution
spatiale des mesures)
Inconvénients :
Incertitude de mesure (proxy !)
Variabilité de la fluorescence provient de :
o Composition taxonomique de l’assemblage phytoplanctonique
o État physiologique de l’assemblage phytoplanctonique (taux de division
cellulaire, cycle de vie, disponibilité en nutriments…)
o Selon la saison : conditions physiques, trophiques et biogéochimiques
variables → induisent différents assemblages de phytoplancton
Exemple : valeur de fluorescence varient en fonction de la taille des cellules
phytoplanctoniques, ce qui induit une incertitude dans le rapport fluorimétrie/
[chl a]
o Effet de discrétisation
o Quenching : non-photo chemical quenching (le phytoplancton arrête de se
développer au bout d’un moment)
Profils de fluorescence en fonction de la profondeur pour 4 campagnes et zones différentes.
Ce sont des mesures de nuit (s’affranchir des effets de photo-inhibition et de quenching).
Fluorescence et coefficient d’atténuation à 660nm (abs faible) donc reliable à la diffusion.
Profil différents :
a. Situation ultra oligotrophique (fluorescence faible) avec un DCL (deep chlorophyll
maximum) qui se développe dans la portion stratifiée de la colonne d’eau, en dessous
de la couche mélangée, riche en nutriments, typique des conditions oligotrophiques.
On peut donc distinguer les eaux mélangées et stratifiées grâce au DCL.
b. Pas de DCL → pas de valeur maximale, donc eaux mélangées.
5-18
2. Photoadaptation
Variation du contenu chlorophylle/fluorescence en fonction du coefficient d’atténuation
particulaire à 660.
En comparant la chlororophylle par fluorescence et HPLC, on met en évidence le phénomène
de photo adaptation. La dépendance entre dp (ou cp) et chlorophylle est en général non
linéaire. On peut espérer la linéarité dans deux conditions ;
- La distribution en taille relative et la composition chimique des particules doivent rester
inchangées. La composition chimique des particules gouverne l’indice de réfraction .
- Il faut que la population algales (ou non) reste verticalement homogène.
C’est une situation qui peut exister quand un mixage vertical vigoureux existe.
Milieu mésotrophe et eutrophe + milieu mélangé
Relation linéaire entre le coefficient d’abs à 660 et la
fluorescence. Vers les eaux de surface, la dispersion à la loi
moyenne est plus importante. On a donc des populations
bien mixée qui permettent d’avoir la linéairité entre les deux
paramètres → couche bien mélangée, plus épaisses =
linéarité
Milieu ultra oligotrophique (C et D) et modérément oligotrophe (E)
Formes particulières de la relation cp/chla. Entre la surface et le DCM, on a un segment plus
ou moins horizontal en dessous de la couche mélangée. la chlorophylle a croit mais cp reste
stable. En dessous, relation linéaire entre cp à chl a, reflétant la règle du mélange, c’est-à-dire
une dilution progressive vers le bas du même assemblage de particules. À cette profondeur, la
photo-acclimatation est presque atteinte → le contenu en chlorophylle par cellule varie que
très légèrement.
3. Quenching
Réponse photo protective du phytoplancton
5-19
Radiation solaire disponible
Quand il fait nuit, pas de PAR. Les pics en bas sont dus aux nuages. La florescence et la
concentration réelle en chlorophylle a. On pourrait penser que plus il y a de lumière, plus le
phytoplancton se développe. Si on regarde la fluorescence, on voit quelle baisse quand il y a
beaucoup de lumière. Quand on a une baisse de PAR, on a une augmentation de la
fluorescence. La concentration en chlorophylle a augmenté puis stagné → quand il y a trop de
lumière, il va arrêter de l'absorber pour se protéger : c'est l'effet de quenching.
En profondeur, on voit que la valeur de fluorescence et la concentration en chlorophylle est
très différente. Les fortes intensités lumineuses peuvent déclencher des mécanismes de
protection de l’appareil photosynthétique. Lors d’un effet de quenching, il y a libération de
chaleur qui se fait au détriment de la fluorescence dans la cellule (d’où une fluorescence plus
basse, avec une décroissance anormale). On peut voir aussi ce phénomène en profondeur,
notamment le jour, alors que la nuit, les valeurs de fluorescence et de chlorophylle a sont
quasi-égales.
Valeur de fluorescence :
Avec phy le rendement quantique (rapport entre énergie absorbée et celle réémise pour la
fluorescence), a*ph le coefficient d’absorption spécifique du phytoplancton, chl la
concentration en Chla et iPAR la lumière disponible.
Avantage du quenching : À l’origine du cycle diurne de la fluorescence.
5-20
On voit le DCM qui est presque toujours au même endroit en fonction de l’alternance
jour/nuit, avec des fluctuations qui suivent plus ou moins ce cycle. Si on regarde en fonction
de la densité, ce cycle jour/nuit est plus visible. On peut comparer ca au coefficient
d’atténuation : le cycle diurne est plus marqué sur l’atténuation. Contrairement à la
fluorescence, les fluctuations ne sont pas observables le long du DCM, mais sur toute la
colonne d’eau (même si le coefficient d’atténuation est maximal au niveau de la DCM). On
remarque la même chose sur la densité. La fluorescence et l’atténuation sont bien corrélées en
fonction du cycle diurne (l’atténuation suit les fluctuations de la CDM).
Par rapport au POC, entre 0 et 25m (graph bas = valeur intégrée). On observe de nouveau le
cycle diurne avec max de fluorescence pendant la nuit (mise en évidence du quenching effect).
Le POC est mal corrélé à la fluorescence. La fluorescence baisse mais la concentration en
phytoplancton augmente, donc l’atténuation va augmenter. Le cycle diurne du POC montre
une augmentation pendant la journée puis diminue la nuit (mise en évidence du cycle diurne
du POC).
4. Application de mise en évidence
Mesure le long de la côte en transect
Atténuation particulaire
Concentration en chla
5-21
Retrodiffusion
Rapport retro/diff
Densité
On voit que l’atténuation particulaire
et la chlorophylle a présente un bloom de
phytoplancton, avec un front océanique, avec une baisse subite de l’atténuation et de la
chlorophylle a. Le coefficient de rétrodiffusion
montre le bloom lui aussi, avec valeur
forte de la rétrodiffusion au niveau du fond (n’est pas observable sur les profils de
et
d’atténuation). Les profils
ne correspond pas à ceux de
, atténuation et
rétrodiffusion. Cela donne une information sur le type de particule. En surface,
est très
faible, correspondant au bloom de phytoplancton, ce qui est consistant avec des particules
ayant un faible indice de réfraction. Au fond, ce rapport augmente, ce qui signifie qu’on a des
eaux dominées par les particules marines, consistant avec une augmentation du matériel
inorganique en profondeur.
V.
Nouvelles plateformes d’acquisition de données
Il faut être capable de faire des mesures à hautes fréquences spatiales et/ou temporelle : ne
sont pas adapté au navire de campagne. Ces mesures biogéochimiques sont donc difficilement
observer. C’est pourquoi il faut mettre en place des plateformes d’acquisition de données pour
pouvoir comprendre les processus biogéochimiques (avec des capteurs miniaturisés).
Depuis quelques années, de nouvelles plateformes sont mises sur :
-
Bateau (mais difficile à l’immobiliser)
Plateforme offshore (10 millions d’euro ‼)
Capteurs embarqués (mesure incident et diffusé)
Grappe optique (taille particule, température de l’eau, diffusion, absorption) avec
laquelle on peut faire des mesures sur profils (mais pas de mesures continues)
Gliders : il fait des oscillations profondeur (max 200m) et surface et envoi les données
par satellite toutes les 24h. Mesures en continue : sonde CTD, rétrodiffusion
particulaire à 2 longueurs d’onde et CDOM, radiomètre (mesure la quantité de lumière
5-22
qui arrive sur le glider), un deuxième radiomètre (qui mesure la quantité de lumière
diffusée).
Les deux radiomètres permettent de calculer
. On peut les
programmer.
Résultats : on sait quand on le jette à l’eau, on ne sait pas quand on le récupère (dû au
courant).
On voit un front de température, non visible sur les cartes de concentrations en chlorophylle a.
Les Gliders transportent beaucoup de paramètres et permet d’étudier en 3D les processus
géochimiques.
Fort courant marin au niveau de la surface (surtout au front), ce qui explique aussi pourquoi le
glider s’est déporté de sa trajectoire (en surface mais aussi en profondeur). Les courbes de
salinité, concentration en chl a et CDOM montrent une très forte corrélation, relié à la densité
(avec une pycnocline). On peut mettre en évidence des processus biogéochimiques et
comprendre en deux dimensions ce qui se passe dans l’eau.
Site observatoire Villefranche, laboratoire océanographique, publications équipe optique.
Seaglider observations of variability in daytime fluorescence quenching of chlorophyll-a
in Northeastern Pacific coastal waters.
5-23
Fort gradient spatiaux pour la fluorescence et la rétrodiffusion, avec (ligne rose) la profondeur
de la couche de mélange. Au-dessus de la couche de mélange, on a une forte variabilité dans
le temps et l’espace de la fluorescence et du coefficient de rétrodiffusion. L’effet de
quenching est limité aux 10 premiers mètres. En milieu de journée, on a une décroissance
anormale de la florescence, qui est surtout sur les 10 premiers mètres sur le graphique
bathymétrique. On a aussi la fluorescence qui décroit très rapidement (30m environ) ce qui
veut dire qu’il y a une décroissance forte de la lumière avec la profondeur (lié à de forte
valeur de la concentration en chlorophylle a), avec des fortes valeurs de la rétrodiffusion. À
forte rétrodiffusion, on bloque la lumière fortement, ce qui induit qu’il y ait peu de biomasse
en profondeur. Les profils de fluorescence sont globalement bien corrélés avec ceux de la
rétrodiffusion. On a des valeurs de rétrodiffusion non négligeable en profondeur, non corrélé
avec les valeurs de fluorescence.
Dans la couche de mélange, près des côtes, les formes grossières du
sont similaires
à celle de la fluorescence de nuit. En dessous de la couche de mélange, on observe des valeurs
non négligeables de
qui suggère que le matériel rétrodiffusé est de source
5-24
sédimentaire qui a été sûrement remis en suspension par des forts courants tidaux près du fond
(accentué par la topographie).
e.
Les flotteurs-argo
Grâce à la miniaturisation des instruments, on a pu développer un système de flotteur
profileurs bio-optiques et biogéochimiques. Les profileurs fonctionnent de la même manière
que les gliders mais vont directement en profondeur (jusqy’à 2000m).
But : développer cette flotte :
-
Oxygène
Bio-optique
Nitrates
Permet d’avoir une vision 3D de l’océan mondial.
f.
Capteurs sur support biologique
Permis grâce à la miniaturisation des instruments.
L’éléphant de mer permet d’avoir accès à l’océan du sud
(zone à fort vent, très nuageuse).
Mesure température, température,
chlorophylle a et salinité.
concentration
en
Avantage : 10 mois de leur vie à l’eau
Mirounga 2004-2010 ; Projet internationnal : Marine Predator Globe.
On peut corréler température et chlorophylle a pour mieux comprendre l’océan austral.
VI.
Principe de la télédétection de la couleur de l’eau
5. Généralités
Télédétection : Collecter et interpréter des données venant de propriétés d’un objet à partir
d’un capteur enregistreur qui n’est pas en contact physique avec cet objet.
5-25
Le satellite mesure le rayonnement magnétique (combinaison entre champ électrique et
magnétique), qui est mesuré dans toutes les longueurs d’onde. On garde les longueurs d’onde
visible (car diffusion de l’eau de mer quasi 0 après 7-800 nm). Mais le domaine spectral
dépend de l’application : température de surface (infrarouge thermique).
Radiométrie : mesure d’une source de lumière. Une source étudiée émet une source de
radiation (radiance ou émittance).
Radiance ( ) : lumière émise par une cible dans une direction donnée. Elle dépend des
conditions d’observations. Une surface peut aussi être illuminée : irradiance ( ). Les agents
optiquement actifs utilisent cette irradiance pour réémettre la radiance.
Ce qui est intéressant, c’est le
(réflectance) : irradiance / radiance.
Entre l’océan et le satellite, il y a l’atmosphère, qui a un effet sur la radiation solaire. Le
spectre de radiation solaire idéal a toujours une irradiance supérieure à la réalité. Il ya une
forte atténuation, voire une disparition de la radiation solaire par l’atmosphère (jouant le rôle
de filtre des radiations). Suivant les longueurs d’onde, on a une atténuation plus ou moins
grande (jusqu’à 100%) où l’atmosphère peut être transparente à cette radiation (notamment
dans le visible où l’atmosphère est transparente). L’atmosphère est constitué de molécules qui
vont être absorbantes et diffusantes des rayonnements solaires : vapeur d’eau, ozone
(absorption UV), dioxyde de carbone, aérosols. Il y a également une grande diversité dans la
taille et la forme de ces molécules, et qui n’ont donc pas les mêmes IOPs.
Orbites
Suivant la façon dont le satellite orbite autour de la terre, on va observer différentes zones de
la terre. Il faut donc définir des paramètres orbitaux (loi de Kepler). Il peut y avoir différentes
orbites (circulaire en général, légèrement ellipsoïde …) et une inclinaison de 90° (autour des
pôles) et héliosynchrone (toujours à la même heure à l’équateur, pour observer toujours des
zones illuminées).
5-26
Nouveau type de satellite pour la couleur de l’océan : géosynchrone (géostationnaire) comme
les satellites de télécommunication ou les satellites météo.
Exemple 11 :
GAUSSI coréen
Permet d’observer une zone à haute fréquence : grand avantage pour les zones côtières et
faible inclinaison.
Capteurs
Passif : ‘appareil photo’ mesurant les niveaux d’énergie émis, ou réfléchis. C’est un simple
enregistrement de la lumière. Ils ne peuvent globalement voir que le jour (ou nuit en proche
infrarouge).
Actif (non utilisé en couleur de l’océan) : ils émettent leur source d’énergie (LIDAR ou
RADAR) pour par exemple mesurer la bathymétrie, la hauteur de l’eau etc.
Résolution
Résolution = précision du détail que l’on peut voir
Résolution spatiale : taille du pixel. On s’intéresse à la forme du pixel sur l’océan qui
détermine (géométrie d’observation) :
-
La résolution au sol, la taille des pixels
La largeur de fauchée
Le trajet optique atmosphérique
3 angles pour la géométrie d’observation (teta)
Cela a un impact sur les zones observées : les hautes latitudes sont mal observées. Plus l’angle
est petit, plus la couche atmosphérique à traverser est grande. Aujourd’hui, on a des détails de
l’ordre du km (et bientôt 250m). Le signal couleur de l’océan est très faible donc il faut faire
un compromis entre les résolutions (c’est pour cela qu’on baisse la résolution spatiale à 1km).
6. Intérêt
Vue synoptique, ce qui est impossible en in situ. Cela permet une estimation quantitative des
IOPs (chlorophylle, espèces phyto, POC, DOC, etc.). Permet des études saisonnières,
interannuelles, modèles de biogéochimie, dynamique des écosystèmes à long terme. Ce sont
les seuls outils qui permettent de mesurer continuellement et globalement les IOPs.
7. Produits
Le satellite observe la
réémise par l’océan et dépend des IOPs (diffusion et absorption).
Ce n’est pas le produit final, mais il est à la base de tout. Le satellite fournit cette base qui doit
être précise pour que les paramètres d’intérêts (IOPS et constituants marins) soient eux aussi
de bonne qualité (nécessite des modèles d’inversion).
5-27
Capteurs
-
CZCS : a montré que l’on pouvait déterminer la concentration en Chl a depuis
l’espace
Nouvelles générations
-
SeaWiFS
MODIS
MERIS
Avec l’amélioration de la miniaturisation, on peut augmenter le nombre de bande spectrale de
mesure (proche infrarouge, rouge). Le prochain capteur européen OLCHI aura 18 bandes
(pour un coût constant). Plus on a de bandes spectrales, plus on pourra déterminer les spectres
d’absorption et de diffusion.
On peut aussi observer les courants marins (grâce à la concentration en chlorophylle a). On
peut contraindre les modèles de circulation océanique ou comprendre les principes de la
dynamique biochimiques.
Radiométrie
Permet de fournir des données quantitatives des propriétés bio-optiques (Ocean Color
Radiometry).
8. Traitement des données
On s’intéresse à Lw, relié aux IOPs.
a. Correction atmosphérique
Atmosphère = 90% du signal mesuré par le satellite. La radiation solaire rencontre les
particules d’atmosphère qui absorbent et diffuse la lumière qui arrive dans l’eau ou rencontrer
d’autres particules. 2 parties pour l’atmosphère :
-
Aérosol (0-2km)
Molécules d’air (2-30km)
La radiance totale va donc être la somme de plusieurs paramètres :
rayleigh : molécules d’air
aérosols : inconnue
rayleigh-aérosols : interaction entre diffusion des molécules d’air et aérosols (double
diffusion air puis aérosols)
écume : diffuse la lumière.
eau : inconnue, 10% de
5-28
glitter : réflexion spéculaire du soleil sur l’eau (forme ovale plus réfléchissante que le reste
de l’eau). En fonction de la position du satellite et du soleil, on sait quand on a zone de glitter.
Le satellite sait quand il a une zone de glitter (trop forte réflexion), et il ne regarde pas cette
zone, mais celle d’à côté. Pour la retirer, on peut aussi utiliser une fonction du vent.
On cherche à déterminer la concentration en chlorophylle a (via ). Il faut donc mesurer
premièrement , qui est inconnue → c’est la correction atmosphérique. Pour cela, on utilise
plusieurs bandes spectrales pour déterminer chaque terme de .
Si on se trouve dans les longueurs d’onde
infrarouges, la contribution de l’océan est très faible
par rapport au signal total. Donc
disparait de
l’équation dans l’infrarouge, pour déterminer la
concentration en aérosol. On peut donc considéré
l’hypothèse de ‘pixel noir’ c’est-à-dire que l’océan est
totalement absorbant : pas de contribution de l’océan
dans le signal total diffusé au satellite.
Dans l’infrarouge :
Avec différents modèle d’aérosols, on peut identifier le type d’aérosols. On peut ensuite
extrapoler dans le visible pour connaitre la contribution de l’océan. Une fois que l’on connait
le , issu du , on peut déterminer la concentration en chlorophylle a.
Dans l’hypothèse pixel noir :
-
-
On ne prend pas en compte les aérosols absorbants (poussières désertiques) : il faut
une autre correction (traitement spécialisé)
Marche dans les eaux claires peu profondes : si les eaux ne sont pas profondes, la
lumière traverse la colonne d’eau puis se réfléchit sur le fond et donc, participe à un
signal supplémentaire
La présence de sédiments dans les eaux côtières contribue à une diffusion dans le
proche infrarouge → autres approches pour les eaux côtières et eutrophes.
Eaux turbides / côtières
Photo tous les 2-3 jours. Dans les eaux côtières, en 2 jours, l’eau peut changer extrêmement
rapidement (puisque changement à l’heure ou au moins à la marée). Il faut donc des systèmes
à forte résolution temporelle.
Il y a présence de sédiments en suspension et CDOM qui contribuent à la présence d’une
contribution non négligeable de l’océan dans le proche infrarouge (Near Infra Red NIR).
L’hypothèse de l’océan totalement absorbant n’est pas valable. Il faut développer des
méthodes pour les eaux côtières.
Grâce à ces méthodes, on a déterminé tous les inconnues et
qui est particulièrement
intéressant :
5-29
9. Produits
Deux approches : analytiques ou semi-analytiques
a. Méthodes empiriques pour la chlorophylle
Relation entre les bandes spectrales et concentration
en chlorophylle a.
Dispersion autour de la loi moyenne avec une erreur
de 30 à 50% (bonne erreur pour la méthode …). On
arrive à reconnaitre les zones productives des non
productives. Permet de se faire une idée précise de la
répartition de la biomasse marine.
Étude locale : côte est des États-Unis
En traitant les images, la couleur uniforme montre
finalement la chlorophylle, suivant les courants de masse d’eau, avec un front.
On peut faire des études mensuelles sur plusieurs années pour suivre l’évolution moyenne
mensuelle : bloom printanier dans le Golfe du Lion. Le bloom s’arrête en été et en hiver,
malgré le manque de lumière, on observe un deuxième bloom dans tout le bassin
méditerranéen → apport de nutriments avec les courants.
Les mesures in situ permettent de valider les mesures satellites et aussi d’établir des
corrélations entre les paramètres biogéochimiques (afin de pouvoir construire les relations
empiriques pour les algorithmes satellites).
Globalement, il y a une bonne relation (r²=0,78) entre la concentration en chlorophylle a
depuis le satellite et en mesure in situ.
Problème :
-
1 journée : 15% du globe → il faut donc faire des synthèses hebdomadaires (60% de
couverture) ou mensuelles (90%).
b.
Autres produits dérivés
Tous ces produits doivent être validés.
Produits primaires (IOPs) → produits dérivés
-
Pigments (
)
MES
DOC
Espèces phyto
Taille des particules
5-30
-
γ, Loisel et al 2006. Petite particules dans les zones des gyres (grand γ) et grandes
dans les zones côtières (petit γ).
PAR + UV
Profondeur euphotique
Production primaire
…
Carbone Organique Particulaire POC
Loisel et al., 2001, 2002. L’erreur est de 40%, mais la tendance est bien gardée par rapport
aux mesures in situ.
CDOM
Modèle inverse bio-optique. À partir de
, on peut déterminer
et
Validation par le IOCCG.
Groupes phytoplanctoniques
Même concentration en chlorophylle, mais valeur de POC différentes (plus forte dans
l’Atlantique) → pas le même type de phytoplancton.
PAR
Plus l’eau et claire, plus la lumière pénètre → il est donc intéressant de connaitre la
pénétration de la lumière. Dans les eaux claires, la pénétration est surtout dans le bleu alors
que dans les eaux côtières ou de faible profondeur, pénétration dans le vert.
Vantrepotte et Melin, 2006.
-
Taux de pénétration de la lumière
Coefficient d’atténuation relié (plus l’atténuation est forte, plus la pénétration de la
lumière est faible généralement)
→ permet de différencier les eaux du cas 1 et cas 2
Modèle d’aérosols
-
Concentration en aérosols
Taille des aérosols
Au-dessus des océans, concentration en aérosols très faible sauf au niveau des côtes
mauritanienne à cause des poussières sahariennes. Pour la taille, petit aérosol près des côtes
car ce sont des pollutions (grand γ).
On peut comparer les cartes de modèles d’aérosols avec Chl a et montrer comme pour la
Méditerranée que les poussières désertiques entrainent une floraison de phytoplancton (apport
en fer) (CLAUST).
5-31
PHYSAT
Groupe phytoplanctonique à partir des images satellites.
On détermine une anomalie de réflectance normalisée par rapport à la chlorophylle a (pour
éliminer la variabilité de premier ordre) pour les relier à des groupes phytoplanctoniques.
Observation à l’échelle globale de la variabilité à l’échelle globale, si groupe dominant.
À l’échelle globale, nanoeucaryotes prépondérants avec une variabilité saisonnière. On peut
aussi comparer à des indices climatiques comme El-niño → diatomées suit la bande
d’anomalie de température.
Très bonne concordance entre modèle et produit satellite.
10. Applications régionales
Facile à développer mais difficilement généralisable → il est plus facile de réfléchir en terme
de type d’eau :
-
Phytoplancton
Sédiments
Mélange sédiments-phytoplancton
On peut ainsi définir les relations pour les types d’eau après une classification des eaux
côtières. Forte variabilité temporelle des types d’eau. En connaissant le type d’eau, on peut
développer des relations entre paramètre biogéochimique et IOPs pour les appliquer pixel par
pixel.
Pixel → type d’eau → choix de la relation → produits pour ce type d’eau.
Eutrophisation
Groupes spécifiques
-
Trichodesmium, important pour la fixation de l’azote océanique → importance dans le
cycle biogéochimique
Coccolithophoridés qui rediffuse la lumière
Détection des marées rouges de Karenia brevis par exemple
Marées vertes : permet d’identifier les origines de ce bloom et développer des outils
d’aide à la décision
5-32
Partie 6.
I.
La complexité d’un milieu à marées
Quelques grandeurs
1 seconde =1 degré de latitude
1 mille correspond à la distance à la surface du globe correspondant à 1/60 ème de degré en
latitude. 1 mille = 60 secondes = 1852m
Circonférence (périmètre) du globe terrestre : 360°=40 000 km de circonférence
Définition du mètre = 1/10 000 de la distance entre le pôle est l’équateur
Nœud (nd) = vitesse de 1 mille à l’heure, soit 1,852km.h-1 = 30,8m.minutes-1=0,51m.s-1
1 km.h-1=0,54 nd
1m.s-1=1,94 nd = 3,6km.h-1
Nœud à l’heure = accélération car le nœud est déjà une expression de vitesse.
Diamètre
Terre
Lune
Soleil
12 756 km
3 476 km
1 392 000 km
Masse
Distance :
Terre-Lune : 384 000 km
Terre-Soleil : 149 600 000 km
S = 390 fois plus loin que la lune
II.
Définitions
Marée : oscillation de la mer entre la marée haute et la marée basse.
Âge de la marée : c’est l’intervalle de temps qui sépare la pleine lune ou la nouvelle lune de
la vive-eau suivante.
Amplitude : différence entre la hauteur d’une pleine mer ou d’une basse mer et le niveau
moyen. Ce terme est souvent utilisé à tort pour désigner le marnage.
Baissant : intervalle de temps entre la pleine mer et la basse mer qui la suit. L’inverse est le
montant.
Basse mer : niveau le plus bas atteint par la mer au cours d’un cycle de la marée.
Coefficient de la marée : quotient du marnage semi-diurne
L’attraction entre les astres dépend de la masse des astres et de leurs distances respectives.
6-1
III.
Processus de marée
Définition :
Amplitude : (Graph)
Pourquoi y a-t-il des marées ?
Attraction entre les astres : essentiellement la lune et le soleil mais en principe, tous les astres
influent sur la marée.
F (attraction gravitationnelle) = g * MM’/d²
Avec M la masse des deux astres. Plus les astres sont lourds, plus ils s’attirent et plus ils sont
loin, moins ils s’attirent. L’influence du soleil est deux fois moins importante que celle de la
lune (la distance a plus d’importance que la masse, car elle est au carré).
Graph2
On considère que les astres sont des sphères exactes. L’eau se déforme du côté de l’astre. Il y
a un bourrelet également de l’autre côté si on regarde au niveau des pôles : c’est la force
centrifuge (constante) : l’ensemble terre/lune forme une entité qui tourne autour du soleil +
sur lui-même. C’est cette force qui fait que la terre ne se rapproche pas de la lune. Comme la
terre est considérée comme une masse globale, elle est la même quel que soit la position sur la
terre. La force résultante provoque le bourrelet.
Marée statique (théorique)
Du côté de la lune, la force d’attraction de la lune est plus importante que la force centrifuge
(constante) : le vecteur résultant est orienté vers la lune et crée le bourrelet. À l’opposé de la
lune, la force d’attraction de la lune est moins importante, mais la force centrifuge est toujours
identique : elle est plus important que la force d’attraction de la lune et le vecteur résultant est
dirigé vers l’opposé de la lune : création du bourrelet de l’autre côté. Vu du pôle, on a donc
deux bourrelets. Au centre de la terre, les forces centrifuges et d’attraction de la lune sont
équilibrées : la terre ne bouge pas par rapport à la lune.
La marée statique est fausse car en théorie, ce bourrelet devrait faire 50cm. Il y a une force
d’inertie : la terre tourne et la lune tourne autour de la terre.
Décalage des marées au fur et à mesure des jours car il y a une heure de décalage entre le
temps de rotation de la terre et la rotation de la lune autour de la terre (50 minutes).
Il y a aussi un retard par rapport à la position de la lune : c’est l’âge de la marée : l’inertie fait
que l’attraction met longtemps à se mettre en place. L’âge de la marée est l’intervalle de
temps qui sépare une pleine lune ou nouvelle lune des vive-eaux qui suit.
Alignements : (Schéma)
Sygygie : alignement lune terre soleil. La lune tire du même côté que le soleil : il y a
des grandes marées : conjonction des deux attractions (du soleil et de la lune) mais il y
a aussi une syzygie en opposition
o Sygygie en conjonction
o Sygygie en opposition
6-2
Quadrature : lune à 90° par rapport au soleil. Les bourrelets crées par le soleil et par la
lune se contrarient : marée de faible amplitude (mortes eaux, et toutes les étapes
intermédiaires).
Le marnage peut être important : 19,6m au canada. Toute l’eau qui se déplace crée les
courants de marées.
Coefficient de marée : c’est un pourcentage pour qualifier la marée de ce que ça pourrait être
au maximum.
Il y a des tables de marées :
Marées d’équinoxe (mars et septembre) = 2 fois par ans mais les vives eaux et mortes eaux
ont lieu 2 fois par mois (position de syzygie).
Tous ces déplacements de masse d’eau se font avec une certaine inertie et sont gênés par les
continents : accélération ou diminution de la vitesse : cela dépend dont des endroits de la
terre.
Semi diurne : 2 fois par jour
Marée diurne :
Très facile de calculer à l’avance les marées, mais viennent se greffer des événements
météorologiques (vents etc.) qui modifient légèrement les hauteurs ou heures de marées.
Les heures et hauteurs de marées sont calculées pour chaque port. La marée est une onde qui
circule et se déforme en fonction des continents.
Carte cotidale (cote = mesure, tidale = marée).
Pleine mer à Saint Malo = Pleine mer en GB. À Boulogne, l’onde arrive 5h30 plus tard.
Le marnage est plus fort du côté français qu’anglais. C’est dû à la force de Coriolis : tout
corps se déplaçant dans l’hémisphère nord a tendance à se déplacer vers la droite. C’est
subjectif : l’objet va tout droit mais c’est la terre qui tourne.
Le flot est le courant en marée montante = remplissage. Jusant est le courant induit par la
marée descendante.
Étale de PM et étale de BM → moment où la mer ne monte plus et ne descend plus. Étale de
courant aussi : quand il s’arrête pour repartir dans l’autre sens.
L’étale de courant de flot n’est pas forcément au même moment que l’étale de courant de
pleine mer.
Dans la Manche, le courant de flot va du sud vers le nord.
Quand la mer descend, le courant est dévié vers la droite …
Point amphidromique : qui sont des endroits où il n’y a pas de marées : la marée monte et
descende entre un point qui est stable.
Vent de mer : montée plus haut ou descend moins bas. Vent de terre : monte moins haut et
descend plus bas. Cela correspond aussi aux dépressions et anticyclones (pression forte).
6-3
Le coefficient de marée est le même sur toute la France. Quand on a le marnage, si on ne sait
pas où on se trouve sur la carte, on ne peut pas dire si c’est une vive eau ou morte eau : c’est
l’intérêt du coefficient.
L’eau qui se déplace crée des courants. Ces courants sont maximums entre les eaux de
marnages maximums. Il y a aussi des accélérations dans les zones les plus étroites (pour avoir
le même débit sur une zone plus étroite, on doit accélérer la vitesse. Quand les courants sont
plus fort, les sédiments sont plutôt caillouteux (alors que les particules peuvent sédimenter
quand les courants sont moins forts → milieu plutôt vaseux).
Les courants de flot et de jusant ne sont pas les mêmes selon la zone. Quand flot d’un côté de
la Manche, jusant de l’autre → l’onde de marée progresse. Il y a un courant nul entre le flot et
le jusant. Quand on fait des prélèvements, ce phénomène a une importance.
Il y a une résiduel de marée qui fait que l’eau de déplace de l’atlantique vers la mer du nord
(surtout en hiver).
Grâce à ces modèles, on peut estimer le mélange entre les eaux Atlantique et Mer-du-Nord.
Ces modèles sont fortement modifiables par la météo. À partir d’un point, on peut tracer une
rose des courants. Courant alternatif change brusquement de direction où la rose des vents est
presque linéaire. Il y a aussi un effet de cap (projette les eaux côtières vers le large) où la rose
des vents est en forme de V. La rose des vents est variable selon la configuration de la côte.
C’est important de connaitre la direction et la vitesse du courant pour les navires, afin qu’il
soit dans le même sens que le courant (porté par le courant).
C’est différent également entre la surface et le fond. Il y a un frottement sur le fond qui induit
une vitesse plus faible par rapport à la surface. Excursion de marée : l’eau remonte à chaque
marée. L’ellipse de trajectoire près du fond est beaucoup moins étendue que l’ellipse de
surface. La vitesse peut être accélérée ou freinée en surface à cause du vent. Si le vent est
contraire au sens du courant, il y a formation d’un clapot. Au point de vue vitesse, le flot a
une vitesse toujours plus importante au jusant en surface. En profondeur, on voit mieux
l’alternance des vitesses entre mortes et vives eaux.
Il y a également une composante est-ouest : quand succession de composante ouest-est, le
courant tourne. Si on a une composante ouest, le courant va s’inverser. La composante ouest
importante provoque une dessalure. En fonction de la météorologie, les masses d’eau de
déplacent vers le large, y compris les composantes biologiques (phytoplancton et
zooplancton).
On a une dérive générale de l’Atlantique vers la Manche et vers la Mer-du-Nord. Il y a
également des apports côtiers. Cette masse d’eau douce se mélange avec l’eau de mer mais
cette dessalure va rester plaquer à la côte : c’est le fleuve côtier :
Eau de mer dessalée qui reste plaquée à la côte à cause des lignes de courants résiduels
qui restent parallèle à la côte
Zone frontale entre les deux (courant et fleuve côtier)
6-4
IV.
Développement
d’une
larve
d’annélide
polydora
ciliata
Vers très fin d’un mm d’épaisseur qui perfore les roches calcaires (au niveau de Dieppe).
Dans le plancton plus au nord, on trouvait des larges sur des plages sans calcaire. Au stade de
5 segments, les larves sont éjectées de leur tube. En fonction de l’âge de la larve, on peut
savoir depuis combien de temps elle est dans l’eau, et donc combien de temps elle a mis pour
faire Dieppe/Boulogne.
Est-ce que les larves et le courant mettent le même temps pour faire Dieppe Boulogne ?
Mesure en continu (fluorescence, salinité, température) + prélèvement de filet (phytoplancton
et zooplancton).
Mission EXPLOCOTE I, II, III
Dessalure due à la baie de Seine + dessalure due à la baie de somme → effet du vent et de la
marée sur le déplacement de l’eau. Panache ou influence n’existe pas quand vent de Nord-Est
(car eau exportée).
Nitrate :
Nitrate en baie de Seine → peu de phyto donc peu de consommation
Baie de somme –> beaucoup de phyto donc grand consommation
Chlorophylle : tout le panache de chlorophylle a tendance à aller vers le sud-ouest à cause du
vent. Pas de connexion entre le panache de chlorophylle en baie de somme et baie de Seine.
Problème de profondeur de compensation (production en baie de seine ne fait moins bien
qu’en baie de somme).
Holoplancton = adulte et jeune en suspension
Abondance de la larve de Polydora cil. (méroplancton = adulte benthique)
Falaise puis sable puis falaise sur la côte.
En m² de la colonne d’eau pour supprimer l’effet de la hauteur de la colonne d’eau (sinon,
plus grande abondance dans un plus petit volume = petite profondeur).
Zone frontale : gradient accentué de la température : plus chaude au large (car moins refroidi
= plus grand volume) et plus froide à la côte avec front entre les deux.
Dessalure important au niveau de la côte (panache de la baie de somme). On a une zone
frontale estuarienne et une deuxième zone frontale entre eaux côtières et du large.
Espèces marines, donc peu sur la côte. Plus on s’éloigne, moins il y a de Polydora cil. La
production chlorophyllienne ne dépend pas du front, mais certainement de la profondeur.
Entre deux tourbillons, il y a une accumulation, qui montre aussi le maximum de PCI (larve
de Polydora).
Bio-indicateur de la dérive des masses d’eau ?
6-5
Sur les différents points, on compte le nombre de segments. Plus on va vers le large, plus les
larves sont vieilles (les jeunes larves ne sont jamais au large). Du point de départ vers le nord :
plus on monte et moins on a de jeunes également. On devrait pouvoir calculer une vitesse de
déplacement connaissant la vitesse de croissance de PCI. Problème : distribution de l’espèce
bimodale.
Modélisation :
Si on injecte les larves à d’autres endroits : au niveau d’un tourbillon, pas de déplacement.
Ailleurs, déplacement mais dilution spatiale du au mouvement des masses d’eau (circulaire au
niveau de la côte) qui étale le panache initial.
Larves de Flet : émission des œufs au large avec dérive nord-sud et vers la côte.
Côte-large
Cote : phyto ++ zoo 1 espèce côtier et une du large
Large phyto ± et zoo 1 espèce large et une espèce côtière
En mortes eaux Les eaux côtières passent au-dessus des eaux du large, qui s’enfoncent en
dessous de celle-ci. C’est essentiellement la salinité, le front est en forme de S.
En vive eau, on a une homogénéisation verticale : le front est vertical.
La zone frontale n’est pas productive : c’est une zone d’accumulation. Ergocline : zone de
rencontre entre deux écosystèmes qui favorise un comportement productif. Ce n’est pas le cas
ici car le phytoplancton est le moins productif du système côte-large.
Brylinski et Lagadevc 1990
Stratification car l’eau monte, l’eau du large qui arrive passe en dessous car elle est plus dense
et l’eau plus ‘douce’ passe au-dessus → Alternance de période stratifiée et homogénéisée
(systématique à basse mer).
Exportation côtière plus importante en morte eau qu’en vive eau. Plus le coefficient de la
marée est grand, plus le temps de stratification est petit (2h pour une marée de coefficient
100). La salinité va vers la côte à pleine mer et repars vers le large à basse mer.
Alternance entre la variation de l’abondance
Acartia Biphylosa typique des eaux dessalées : elle reste dans la masse d’eau côtière : le max
d’abondance dans la masse d’eau en point fixe est se fait à basse mer (mais les bestioles sont
partis avec la masse d’eau à PM)
ODI typique plutôt du large : elle reste dans la masse d’eau du large : elle est maximum à PM.
D’où l’importance de faire ses échantillonnages toujours à la même heure par rapport à la
marée si on reste sur le même point d’échantillonnage) pour être sûr de pouvoir comparer les
résultats.
La résiduel en surface emmène plutôt les espèces au large alors que la résiduel de fond
emmène les espèces à la côte lors de la PM.
6-6
Il existe des espèces de copépodes typiquement côtières et des espèces typiquement du large.
Il y a des espèces qui sont ubiquistes (dans les deux masses d’eau). Ces organismes ont une
taille qui dépend de la température (12 mues). À la côte, ils sont de grandes tailles et au large,
ils sont de petite taille. Ce n’est donc pas la même population, développée dans deux masses
d’eau différentes, à température différentes (plus il fait chaud, plus il arrive à terme
rapidement et donc plus ils sont petits).
Le milieu agit aussi sur le développement (ils peuvent porter leurs œufs à la côte ou bien au
contraire au large → ils ne sont reproductifs que dans une certaine zone).
SCHEMA DU FLEUVE COTIER
Cas 1 : tout le signal provient du phytoplancton
Cas 2 : tous les apports terrigènes viennent perturber le signal
6-7
Partie 7.
Océanographie côtière et production biologique –
couplage physique-biologie
Oceanography of shelf seas ; Coastal ecosystems processes
Diversité des champs de recherche
-
Problématiques fondamentales : régulation échanges continent-océan
Problématiques appliquées : gestion du milieu marin et de leurs ressources
Diversité d’écosystèmes
-
Lagunes, baies, deltas, estuaires
Panaches estuariens, plateau continental, talus
Mers épicontinentales à marées ou sans marée
Diversité d’enjeux
-
Cycle du carbone
Exploitation, études d’impact
Diversité d’échelles
-
Locale
Régionale
Méso-échelle
Sub-méso-échelle
Macro-échelle (réunir tous les océans côtiers ayant les mêmes caractéristiques)
Diversité de partenaires
-
Institution de recherche
Agences, départements, régions
Industriels
Bureaux d’étude
Diversité de discipline : sciences exactes, naturelles, économiques et sociales
I.
L’océan côtier
Circulation océanique :
Océan coteur définit par la limite du plateau continental, mais aussi par ces processus :
-
Courants chauds (Golf Stream)
Courants froids (Labrador)
Sous l’influence des masses continentales et de la force de Coriolis (déviation des
courants), des zones de fronts en surface (divergence), pouvant se prolonge jusqu’à la
zone côtière.
Quand le plateau continental est très faible, on peut l’étendre un peu par rapport aux courants.
Les fronts sont aussi présents dans les zones de convergence.
7-1
Les bassins versants des grands systèmes fluviaux influencent également la découpe de
l’océan côtier (large marine ecosystems).
Répartition des zones côtières
-
En utilisant des critères bathymétriques
Inégalité dans la répartition de la superficie des plateaux continentaux
Les productions primaires estimées sont beaucoup plus forte à la côte, et au niveau des
plateaux continentaux. Ça ne représente pas beaucoup en surface mais représente pas mal en
production (9% de la surface pour 16 à 20% de la production primaire mondiale).
La base de l’échelle de variation de taille des virus est grande. La taille est proportionnelle au
temps de doublement, et également à son ‘aire de jeu’.
GOMA (Golf of Maine) : les limites sont tracées en fonction de l’influence des courants
entrants : mesures physiques :
-
Courants
Débits
Météorologie
À partir de ça, l’étude et l’échantillonnage a pu être réalisé (pour la mesure de la production
primaire, des prédateurs etc.).
Paramètres physiques déterminants pour la définition des habitats pélagiques dans l’océan
côtier.
-
II.
Estuaire et ROFI : plutôt stratifié
Mixed : mélange maximum qui mélange et remet en suspension = zone de grande
turbidité.
Front tidal : délimité une zone fluctuante selon le cycle ME / VE. Ce front de marée
avance ou recule et délimite une zone très agitée et une zone stratifiée
Zone saisonnière stratifiée
Talus : mélange par les ondes internes et ondes de marées + phénomène de remontée
d’eau profonde. Les eaux peuvent diverger à ce niveau et les nutriments remontent
dans ce cas.
Forçages physiques de l’océan côtier
1. Réchauffement
On peut mesurer la quantité d’énergie qui arrive par les radiations solaires. Une partie de
l’énergie part par évaporation ou par conduction. Il va y avoir transmission de la chaleur dans
la couche de surface. La quantité de chaleur et les processus de perte de chaleur sont variables
(notamment dans les systèmes tempérés).
Qi est le bilan de chaleur du système : il est positif en milieu d’année (plus de chaleur qu’il
n’en perd).
On peut grouper les pertes Qe, Qd, Qc = Qu → il reçoit aussi de l’énergie thermique des
masses d’eau environnantes (Qv). L’énergie peut être transmise aux sédiments. Le flux de
7-2
chaleur dépend de la colonne d’eau. Il y a donc une quantité de chaleur stockée dans l’eau, qui
dépend du temps.
Flux de chaleur et saisonnalité
Ils ont essayé d’estimer le bilan et l’importance de l’apport de chaleur due à la masse d’eau
environnante.
2. Apport d’eau douce
Au Mékong, on a un grand apport d’eau douce avec une très forte saisonnalité.
Apports fluviaux annuels à l’océan
Les plus grands apports sont :
-
Mékong et Asie du sud-est (11 000)
Nord de l’Amérique du sud avec l’amazone (8 600)
Avec en tout 36 000 km3.an-1
Il existe aussi des apports inversés, lié à l’évaporation : exemple du spencer Gulf.
3. L’énergie de la marée
-
-
Semi-diurne
o Mégatidale
o Mésotidale
o Microtidale
Diurne
Basse fréquence
4. Forçage physique et mise en mouvement
Zone de convergence et de divergence
Vent, turbulence et mélange
Vent induit processus de mélange : le vent peut entrainer des upwellings forcés à cause d’un
vent parallèle à la côte + courant d’Ekman : on crée une petite dépression qui force l’eau à
remonter.
Cellule de Langmuir :
-
Plusieurs km en principe de large
La physiographie des fonds façonnent aussi la courantologie
III.
Forçages physiques et production
IV.
Les composantes biologiques et production
Schéma réseau
7-3
Théorisation :
-
Profondeur de compensation : respiration = production
Profondeur critique : respiration = production intégrée
En 100 et 1000 m, on peut avoir des blooms pour une faible turbulence diffusive.
Beaucoup de turbulence → peu de profondeur ; peu de turbulence → beaucoup de
profondeur
28 : La profondeur de compensation et profondeur critique sont liés à la pénétration de la
lumière disponible pour la photosynthèse + les capacités photosynthétique des espèces. Ce qui
joue sur le processus (photosynthèse supérieur à respiration) = tous les processus physiques.
La stratification des eaux est aussi influencée par la colonne d’eau.
Les organismes ayant des flagelles sont capables de se maintenir dans la colonne d’eau …
Mandala de Margalef :
Dans la réalité, un système épuisé n’est pas épuisé sur l’intégralité de la colonne d’eau : donc
nutricline qui s’installe et quand remise en suspension, on recommence aux diatomées (on ne
fait pas la succession jusqu’au bout).
Bloom de coccolithophoridés suivent les courants et même les tourbillons à plus petit échelle.
Schéma avec boucle microbienne
Boucle microbienne : mal connue ‘bactéries’ consomme le DOM pour faire du POM. Ce
système peut intégrer soit une colonne d’eau entière, soit une masse d’eau, une couche de la
colonne d’eau.
Détroit du Kattegat (Mer Baltique) : en intégré sur la colonne d’eau
Bloom printemps et début de l’automne : on suit
-
La production des œufs des copépodes, calés sur les max de chlorophylle
Biomasse des adultes : augmente avec la diminution du bloom.
Ajustement dans la reproduction : systèmes connectés
Pycnocline : gradient de densité qui fait que les deux masses d’eau peuvent, ou non,
communiquer.
Schéma : gris = SN et noir MO.
Bilan du système : sur la colonne ou sur la surface pour estimer le rôle de l’écosystème dans
le piégeage ou le relargage du CO2. → voir tableau de productivité des différents plateaux
continentaux.
V.
Stratification / mélange et production
Réalité : stratification via la chaleur et vent qui mélange. Dans le fond, c’est l’onde de marée
qui mélange. On a donc un mélange en surface et profondeur et un forçage qui tend à la
stratification : on a donc deux masses mélangées séparées par une thermocline. C’est saison
dépendant.
7-4
Rapport entre l’épaisseur de la colonne d’eau et l’énergie de turbulence. Un moment, le
mélange tidal va être plus important que la stratification par la température. Entre les deux
zones (mélange ou turbulence gagne et stratification ou température gagne), on a un front.
Ce qui détermine le front :
-
Par rapport à l’énergie
Au cycle de marée
Cycle VE ME
Il y a une valeur critique entre 2 et 3, en fonction de la profondeur et on trouve une anomalie
potentielle d’énergie avec un front de marée.
42 : On ajoute le vent. En fonction de la puissance des deux acteurs de mélange, on a une
thermocline structurée de manière variable en fonction du temps, et de l’espace.
Puisque la chaleur n’est pas constante pendant l’année, la stratification thermique n’est donc
pas constante non plus (contrairement à la température du fond qui est souvent stable). À
l’échelle d’un mois, variabilité aussi. Mais attention, stratification = épuisement des SN.
Dans une station soumise à la stratification :
-
Nombre de cellule augmente mais pas d’augmentation du carbone : ce sont des
espèces plus petites qui sont mieux adaptées au milieu stratifié et oligotrophe.
Pour les dinoflagellés : plus gros (carbone ++ et cellule +) mais ils sont adaptés grâce
aux flagelles et à la mixotrophie.
Mélange en VE = déstructurant si le système n’est pas à l’épuisement. En revanche, si le
mélange arrive en été, c’est positif car il y aura une remontée des nutriments.
Nouvelle-Zélande :
Après un coup de vent → mélange des eaux → nitrate ++. Pour des plus petits effets de vents,
on a aussi des petites remontées en nitrates.
Cas où la colonne d’eau est complétement mélangé mais il y a accumulation en profondeur.
Frouin (screeps) → peut être accumulation qui entraine une stratification dans certain cas.
47
Trajectoire en système mélangé
Dans une même journée et une même masse d’eau stratifié → accumulation ou non de
certaines espèces à certaines profondeurs.
Quenching non photochimique : changement au niveau de la fluorescence donc dégagement
en chaleur
Cellule de Langwir : en m (8m pour la photo)
Pycnocline et production
Tous les cas de figures :
-
Onde de marées très forte
Onde de marée moins forte
7-5
-
DCM : deep chlorophyll maximum → vers SCM : subsurface chlorophyll maximum
Parfois, le SCM peut être lié aux nitrates, à la base de la thermocline. L’exemple de la
nouvelle Zélande montre un gradient thermique moins important. Dans un régime stratifié, il
faut 4°C pour 1 unité de salinité → la salinité est prépondérante dans la stratification. Il
faudrait donc regarder la courbe d’isodensité plutôt que les courbes de températures. Loin des
apports fluviaux, la température peut suffire. En NZ, la nitracline est beaucoup plus étalée et
le SCM est beaucoup plus large.
Le maximum de phytoplancton est plus localisé si la pycnocline est très brutale (comme
Monterrey bay).
1ère explication : phytoplancton mobile
2ème : force de mélange vers le bas très forte mais espèces bien stabilisé dans zone où assez de
lumière et de nutriments (proviennent du bas).
Monterrey bay = upwelling
Transect de la mer d’Irlande : répartition plus ou moins importante : accumulation ‘large’ en
milieu moins profond, puis accumulation très étroite, puis re large en allant vers le large.
C’est en rapport avec l’onde de marée et la profondeur. Plusieurs conclusions possibles, mais
écartée (plus de pigments ou autres).
Jones Bank – Mer Celtique
La topographie du fond est importante pour la dissipation de l’onde de marée → onde interne
par à-coup (marée haute, basse, ME, VE). Sur les bords du banc, la production est plus
importante → ‘effet banc’. L’onde de marée a un effet important sur les bords du banc :
mélange et possible fertilisation des bords stratifiés
Dans l’océan ouvert, il y a l’effet du vent, la thermocline presque permanente, peu de flux de
nitrate. Au niveau du plateau, le plancher océanique est plus proche de la surface. L’onde de
marée apporte les nitrates et le vent mélange le tout. Hormis les nutriments, ces énergies
peuvent enfoncer ou remonter la pycnocline (ou la thermocline). La force de marée a tendance
à remonter la thermocline alors que la force du vent à tendance à l’enfoncer.
Attention fluorescence et chlorophylle différent de production : 52
Malgré l’accumulation de chlorophylle (DCM), en surface, il y a beaucoup de Synechococcus
et pico eucaryotes, qui ont peu de chlorophylle. Le pic est une accumulation à la base de la
thermocline des diatomées, qui possèdent beaucoup de chlorophylle, d’où le SCM. 1 profil
mais beaucoup de
VI.
Les fronts et la production
Océan côtier : depuis l’estuaire jusqu’à la marge alors que la zone côtière est la zone sous
influence des eaux côtières (fleuve côtière, estuaire etc.). La définition est différente quand on
se base sur le sédiment (zone côtière à la marge de dépôt des sédiments).
Proche des continents : halocline alors que plus loin, thermocline.
7-6
ROFI Region of Freshwater Influence.
-
Remontée d’eau profonde au niveau du talus = upwelling
Remontée d’eau plus proche de la côté lié à la force de Coriolis couplée au transport
d’Ekman.
La production primaire :
-
Dans les zones de front = meilleures conditions pour la production primaires
En marges : upwelling
Après, transport de carbone vers les zones plus profondes.
Estuaire = panache turbide, puis plume de dilution de l’estuaire par rapport à la salinité.
Campagne : GIVAPA, GIVAPLU
Les différents fronts de France métropolitaine :
-
Front ROFI avec apport côtier et dissipation de la marée
Dissipation de la marée front d’Ouessant avec frottement
Talus du golfe de Gascogne : marée + vent
Mer d’Iroise : panache = plume estuarienne sauf quand beaucoup de vent
Mer de Ligure : front géostrophique
1. Les marges continentales
Mêmes forces mais au niveau de l’océan c’est surtout le vent et le réchauffement (hormis
plume exceptionnelle comme l’Amazone). Il y a un système stratifié permanent avec des
courants géostrophiques, une faible turbulence et des couches limites séparées
Zone d’ajustement au niveau de la marge : effet de la topographie (talus abrupte). Au niveau
du plateau avec couches limites.
C’est au niveau de la marge que se crée des courants rapide en subsurface. Trajectoire des
bouées en Manche-Mer du Nord-Mer Celtique etc.
Les plateaux continentaux peuvent se refroidir plus rapidement que les océans → zone de
densité plus faible avec à l’arrière de ces zones des développements chlorophylliens, même en
hiver.
Proche de la marge, plus de chlorophylles en surface alors qu’au niveau de la marge, plus de
2. Les upwellings
Production le long des eaux froides.
Le fait que de l’eau se déplace (Coriolis, Ekman ou vent) doit être remplacé par de l’eau
provenant des profondeurs. L’eau chaude laisse sa place, donc l’eau froide remonte.
El niño :
7-7
El Nina : renforcement de l’upwelling
déchets (neige marine).
donc production exceptionnelle et beaucoup de
Maximum de production au niveau de l’upwelling mais accumulation (biomasse) au niveau
du front via le transport du courant.
Quand accumulation de phyto, zooplancton se développe et les zones où le zooplancton est
présent ne sont pas des zones d’accumulation.
Déchet → entraine des zones d’anoxie (pas uniquement due au phyto, mais à tout le système
qui crève comme une merde). Bloom de coccolithophoridés qui va jusqu’à la zone côtière →
eutrophisation naturelle.
Possibilité de flux : diapo 74.
Upwelling pas forcément du fond de l’océan, mais aussi de la reminéralisation face à un
front ;
Stimulation de la production liée aux ondes internes et la marée (75). Vu du ciel, on ne voit
pas ce qui se déplace en profondeur, qui ont pourtant une quantité de chlorophylle similaire
(en intégré). Au niveau du talus, la chlorophylle des organismes de plus de 5µm représente
plus de 60%. Mais ce n’est pas le cas de chaque côté de la marge : on voit que dans l’océan
ouvert, on a des Prochlorococcus. Au niveau du plateau, c’est plutôt des SNC alors que le
maximum est représenté par les diatomées. Le pico eucaryote est lui est lié aux diatomées et
SNC.
78 ; 79
3. Fronts Tidaux
h/u3=SH → hauteur de la colonne d’eau / énergie de marée. Si ce rapport est de 1,8-2, on
Formation de tourbillon cyclonique à cause du vent au niveau du front. Front tidaux très lié à
ME, VE (± bathymétrie). Le mélange est toujours du côté le moins profond.
Au niveau du front, un courant assez important au niveau du front par rapport à ce qui se
passe de part et d’autres. La dérive applique une tension sur ce courant, qui va déplacer le
front ou décrocher les tourbillons.
Adéquation entre l’entogénèse et reproduction qui profite du système pour bénéficier de la
production riche et du voyage → voir LIZON
4. Les ROFI
Mer baltique = plus grand eau dessalée d’Europe. Dès que les eaux sortent, on a du mal à
trouver un panache car avec la force de rotation de la terre et la forme de la côte, les eaux sont
plaquées contre la côte.
Rhin : Le panache remonte vers le nord sur l’influence des vents, des courants et de la force
de Coriolis, c’est aussi valable pour les nitrates (encore plus flagrants).
La marée agit aussi sur toute la colonne d’eau. Il ne faut pas oublier le débit pour l’influence
des eaux douces.
7-8
100. courant converge = enfoncement de l’eau. Courant diverge = remontée d’eau.
D’abord halocline (en hiver) puis thermocline. En gironde, on ne voit pas le bloom au
printemps, puisqu’il a lieu en hiver : accumulation à cause de la stratification haline
(Sverdrup) dès qu’il y a un peu de lumière et de nutriment.
103 : RESEAU TROPHIQUE DE CHAQUE COTE DU FRONT
Deadzone : en dessous de 2 mg/L
Estuaire de la Gironde : la plume tourne mais courant dans sens inverse.
VII.
Les systèmes estuariens
1. Définition
Zone de salinité 0 → inclus dans la zone côtière, tant qu’elle est sous influence de la marée.
Estuaire : système côtier semi-fermé qui a une connexion avec la mer et au sein duquel on
peut mesurer la dilution de l’eau de mer par les apports d’eau douce.
Cette définition ignore l’influence des forçages physiques (tidaux, système à très grand apport
où le mélange se fait à l’extérieur et à très faible apport avec une grande salinité (plus qu’à
l’extérieur) dans l’estuaire où le mélange ne se fait presque pas = estuaire inversé (du Texas,
basse Californie, Australie du nord))
Système estuarien : in-domptation qui peut avoir des connexions plus ou moins restreintes
avec la mer et peuvent être divisé en 3 zones :
-
gradient de salinité (qui peut être en dehors de la limite de la côte = plume estuarienne
ou estuaire d’extérieur) ;
zone de mélange (estuary proper) avec fort gradient physique, chimique et
biologique ;
le fleuve tidal où même sans mélange (pas de gradient de salinité), il est soumis à
l’influence de la marée (ondes physiques de la marée)
→ J. Milliman ; B. Kjerfve
2. Classification des estuaires
Résonnance de l’onde de marée caractérise le type d’estuaire.
Au fond et en surface, la marée n’a pas le même effet → en fonction de section de
l’estuaire (géométrie) :
-
amplification de l’onde de marée (estuaires hypersynchrone)
atténuation (estuaires hyposynchrone)
onde de marée constante (estuaire synchrone)
En fonction de l’énergie de chaque apport (marée ou fleuve), l’estuaire va ‘se remplir’ ou ‘se
vider’.
6. Conséquence importante pour la production
7-9
3. Forçaces physiques des estuaires
c.
Marée
Zone de resuspension + érosion de la pycnocline par le bas. Création d’une circulation de
surface (courant de jusant et de flot visible en PM, BM)
d.
Apport des rivières
Crée le gradient de salinité et amène les sédiments → crée le courant de densité
e.
Vent
Érosion de la pycnocline du haut vers le bas avec remise en suspension (mélange de la masse
d’eau).
→ Classification en fonction des forçages (8)
Influence dominante de :
-
Flux : estuaire qui a une forme de delta
Flux + vent : estuaire mixte (delta avec barrières)
Flux + marée : delta tidal
Flux ± et marée + : plaine côtière estuarienne
Vent + marée : lagune tidale
Marée : baie
Vent : lagune côtière (comme système méditerranéen)
4. Types d’estuaires
Estuaires des plaines maritimes
Rias ou Abers (vallée ennoyée par subsidence du sol, peuvent être très profonds)
Estuaires semi-fermés ou fermés
Estuaires complexes
5. Distribution des espèces
11. Schéma théorique mais si les espèces sont tolérantes, elles peuvent aussi vivre DANS
l’estuaire (copépode, via migration verticale).
7-10